Главная » 2014 » Июнь » 29 » Скачать Моделирование сверхкритической воды методами классической и квантовой молекулярной динамики. Ведь, Ольга Валерьевна бесплатно
1:25 AM
Скачать Моделирование сверхкритической воды методами классической и квантовой молекулярной динамики. Ведь, Ольга Валерьевна бесплатно
Моделирование сверхкритической воды методами классической и квантовой молекулярной динамики
Диссертация
Автор: Ведь, Ольга Валерьевна
Название: Моделирование сверхкритической воды методами классической и квантовой молекулярной динамики
Справка: Ведь, Ольга Валерьевна. Моделирование сверхкритической воды методами классической и квантовой молекулярной динамики : диссертация кандидата химических наук : 02.00.04, 02.00.17 / Ведь Ольга Валерьевна; [Место защиты: Ин-т химии растворов РАН] - Иваново, 2009 - Количество страниц: 141 с. ил. Иваново, 2009 141 c. :
Объем: 141 стр.
Информация: Иваново, 2009
Содержание:
Введение
Глава 1 Сверхкритическая вода: экспериментальное 8 и компьютерное исследование обзор литературы)
11 Области применения сверхкритической воды
12 Экспериментальное исследование структурных 12 особенностей сверхкритической воды
13 Экспериментальное исследование динамических 18 характеристик сверхкритической воды
14 Подходы, основанные на классическом 23 моделировании сверхкритической воды с использованием парных потенциалов
Глава 2 Классическое молекулярно-динамическое 37 моделирование сверхкритической воды Динамика водородных связей
21 Метод классической молекулярной динамики
22 Параметризация нового потенциала вода-вода 40 при сверхкритических условиях
23 Водородная связь в сверхкритической воде
24 Среднее время жизни водородных связей
25 Особенности водородного связывания в 74 сверхкритической воде вблизи кривой насыщения
Глава 3 Неэмпирическая молекулярная динамика 83 сверхкритической воды
31 Концепция и особенности неэмпирической 73 молекулярной динамики
32 Реализация метода Кара-Парринелло
33 Структура сверхкритической воды 95 34 Динамика водородных связей в сверхкритической воде в моделировании методом Кара-Парринелло
Выводы
Введение:
Актуальность работы.
Сверхкритические условия — это физическое состояние вещества выше критической точки, где исчезает различие между газом и жидкостью. Вещество обладает как диффузионностью газа, так и многими сольватационными свойствами жидкости. Из всех веществ вода претерпевает самые сильные изменения, переходя в сверхкритическое состояние. Если при нормальном давлении и температуре вода - полярный растворитель, то в сверхкритической воде растворяются почти все органические вещества. Даже небольшое отклонение температуры и давления вблизи критической точки изменяет все физико-химические характеристики воды, поэтому при малейших флуктуациях давления и температуры в такой воде могут, полностью растворяться или, наоборот, осаждаться оксиды и соли. Для полного понимания свойств и возможностей использования сверхкритической воды как растворителя (реагента, катализатора) необходима информация о её микроструктуре и об особенностях процессов, происходящих на молекулярном уровне. Зависимость растворяющей способности сверхкритической воды от параметров состояния во многом обусловлена особым характером и динамикой водородных связей.
Прямые экспериментальные исследования структуры воды при высоких температурах и давлениях представляют собой очень сложную задачу. Поэтому любая новая информация о структуре, полученная в компьютерном моделировании, не менее важна, чем спектроскопические данные. В данном случае компьютерные расчеты могут играть роль теории. Они могут прогнозировать термодинамические, структурные и динамические свойства флюида, которые могут быть непосредственно сопоставлены с соответствующими экспериментальными данными. Ещё более важная возможность компьютерного моделирования - способность получать и анализировать детально комплексные пространственные и энергетические характеристики каждой индивидуальной молекулы системы, давая, таким образом, очень важную микроструктурную информацию, недоступную для любого физического эксперимента. Динамический подход к изучению межчастичных взаимодействий позволяет делать обоснованные предположения о механизмах протекающих процессов и даёт возможность их визуализации. Это позволит понять причину многих значимых корреляций между молекулярными взаимодействиями и макроскопическими свойствами комплексных систем. Поэтому проведенные в данной работе исследования сверхкритической воды методами компьютерного эксперимента являются актуальными.
Исследования проведены в соответствии с утвержденным планом научно-исследовательской темы ИХР РАН: «Дальнодействующие молекулярные корреляции в жидкостях и на границе раздела фаз,в широкой области параметров состояния» (номер государственной регистрации 0120.0 602022), при поддержке гранта РФФИ № 07-03-00646 «Исследование влияния динамики и кооперативности водородных связей на структуру флюидов и их смесей при изменении термодинамических параметров состояния в широком интервале Р и Т» и Фонда содействия отечественной науки.
Цель работы. Целью данной работы является изучение водородного связывания в сверхкритической воде, структурных перестроек и изменений динамических характеристик водородных связей, происходящих при переходе в сверхкритическое состояние. Основные задачи исследования:
• разработать новый эффективный парный потенциал, адаптированный для моделирования воды в сверхкритических условиях;
• изучить изменение структуры и динамики водородных связей в сверхкритической воде с позиций методов классической молекулярной динамики (с использованием нового потенциала взаимодействия) и Кара-Парринелло;
• выявить особенности молекулярного поведения сверхкритической воды с точки зрения продолжительности существования водородной связи.
Научная новизна.
• Впервые проведён комплексный расчёт изобарических и изотермических зависимостей среднего времени жизни водородной связи в сверхкритической воде в широком диапазоне температур и давлений с парным потенциалом, учитывающим вклад неэлектростатических взаимодействий в образование водородной связи.
• С помощью метода Кара-Парринелло исследованы пространственно-временные аспекты образования водородносвязанных кластеров; проведен анализ флуктуаций локальной плотности и локального дипольного момента сверхкритической воды вблизи кривой насыщения.
• Разработаны оригинальные алгоритмы для анализа молекулярных конфигураций в водородносвязанных кластерах, изменения их со временем, расчета локальных дипольных моментов.
Практическая значимость. Научно-практическая ценность работы определяется тем, что информация о структуре и динамике поведения водородных связей в сверхкритической воде необходима для расширения наших представлений о природе сверхкритического состояния, прогнозирования свойств многокомпонентных флюидных систем в сверхкритическом состоянии и интерпретации экспериментальных данных. В процессе выполнения работы был создан комплекс программ для исследования молекулярной структуры и микродинамики сверхкритических флюидов, который позволил непосредственно наблюдать происходящие в них флуктуации и структурные перестройки. На основании полученных данных можно предсказывать характер изменения структурных и макроскопических свойств сверхкритической воды, что представляет интерес как для теории жидкостей и растворов, так и для усовершенствования сверхкритических технологий.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены: на Региональных конференциях молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Иваново 2005, 2006, 2007 и 2008 гг.); Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов" (Москва, 2004, 2006гг.); Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (Плес, 2004г.); International Symposium and Summer School "Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter"( S-Petersburg, 2004, 2005, 2009гг.); Российской молодежной научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург, 2005г.); Симпозиумах по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул (С-Петербург, 2006, Челябинск, 2008г.); International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia (Москва 2005г, Суздаль 2007г, Казань 2009г.); Международной научно-практической конференции «Сверхкритические флюиды: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Казань, 2007г, Суздаль 2009г.); 4th International Conference "Physics of liquid matter: modern problems" (Kyiv, 2006, 2008 гг.); XII Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (Москва, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 27 печатных работ, из них 5 статей в Российских и иностранных журналах, 4 в научно-теоретическом и прикладном журнале широкого профиля и 18 тезисах докладов на научных конференциях.
Вклад автора в проведенные исследования. Вклад автора заключается в непосредственном проведении моделирования методами классической и квантовой молекулярной динамики, обработке и анализе полученных результатов, разработке и параметризации модели сверхкритической воды, написании программ и кодов для исследования молекулярной структуры и микродинамики сверхкритических флюидов.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и выводов, списка использовавшейся литературы из 222 наименований и приложения. Работа изложена на 140 страницах, включает 38 рисунков и 11 таблиц.
