Библиографическое описание:

Шатагина Е. А., Шатагина А. А., Шатагин И. А. Молекулярно-динамическое моделирование адсорбции молекул нитробензола на кварцевой подложке // Молодой ученый. — 2012. — №4. — С. 8-10.

Одной из проблем молекулярной физики является изучение природы и организации эпитропно-жидкокристаллических (ЭЖК) слоев (приповерхностных ориентационно упорядоченных слоев жидкости). В соответствии с современными представлениями, на организацию ЭЖК влияют анизотропное межмолекулярное взаимодействие, а также дальнодействующие и короткодействующие силы лиофильной твердой подложки. На начальном этапе формирования ЭЖК на поверхности подложки образуются затравочные слои, которые являются ориентантами, обуславливающими короткодействующее поле; влияние дальнодействующих поверхностных сил распространяется на молекулы жидкости не более чем на несколько молекулярных слоев [1]. Однако, на кварцевой подложке индивидуальные ароматические углеводороды образуют ЭЖК слои при Т~295 К толщиной ~200 молекулярных слоев [2]. Поэтому актуальной задачей становится исследование молекулярных механизмов и процессов взаимодействия молекул индивидуальных ароматических углеводородов с кварцевой подложкой. В связи с этим, целью нашей работы явилась изучение молекулярной динамики организации первых монослев ЭЖК слоя нитробензола на кварцевой подложке.

Для молекулярно-динамического (МД) моделирования использовался программный пакет многоцелевого назначения DL_POLY_4 [3]. В данной работе моделировалась система, состоящая из 60 молекул нитробензола C6H5NO2 на подложке α-кварца SiO2, состоящей из 288 атомов.

Геометрически конфигурация системы представляет собой параллелепипед. Процесс МД-вычисления начинался после доведения системы до энергетически минимизированных состояний при Т=300 К. Для контроля значения температуры системы был применен термостат Нозэ-Хувера (NVT-ансамбль); параметр релаксации термостата – 0,5 пс. Шаг интегрирования уравнений движения равен 0,2 фс. Вычисления длин химических связей молекул проводились на базе алгоритма Shake.

В МД-моделировании топология силового поля учитывает все возможные взаимодействия и химические связи системы. Полная конфигурационная энергия МД модели представляет собой сумму внутримолекулярной валентной энергии и энергии невалентных взаимодействий : .

Структура молекулы нитробензола представлена на рис.1.

Р
ис. 1. Структура молекулы нитробензола.

В моделировании были использованы потенциалы двух типов, описывающие валентные взаимодействия в молекуле нитробензола: угловая связь была задана гармоническим потенциалом:

торсионная связь описана трехкратным косинусом (triple cosine):

.

Все атомы подложки были заморожены. Для вычисления электростатических взаимодействий был применен метод суммирования Эвальда, а для расчета Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий был использован потенциал Леннарда-Джонса. Для разного сорта атомов применялись комбинированные правила Лоренца-Бершелота. Параметры всех потенциалов [4, 5] для исследуемой системы приведены в табл. 1-4.


Таблица 1

Заряды атомов молекул нитробензола и кварца [4].

Атом

Заряд (e)

Атом

Заряд (e)

O1, O3

-0,192

Si

4

N2

0,032

O

-2

C4

0.097


C5, C9

-0,059

C6, C8

-0,061

C7

-0,036

H

0,106


На рис. 2 представлено изображение конфигурации системы через 55,4 пс. На рисунке видны два первых монослоя, молекулы нитробензола ориентированы относительно подложки преимущественно гомеотропно. В первом и частично во втором монослоях нитрогруппа молекулы направлена в сторону от подложки (на рис. 2 атомы кислорода изображены черным цветом).


Таблица 2

Длины связей и параметры потенциала угловой связи в молекуле нитробензола [4].

Тип связи

Длина, Å

Тип связи

Угол, град

kθ/2, (K/rad2)

C-H

1,080

O1-N2-O3

125

40284

C4-C5

1,385

O1-N2-C4

117,7

40284

C5-C6

1,391

C5-C4-C9

122,88

-

C6-C7

1,392

C4-C5-C6

118,14

-

C4-N2

1,460

C5-C6-C7

120,31

-

N2-O1

1,225

C6-C7-C8

120,21

-


C6-C5-H10

121,37

-

C5-C6-H11

119,47

-

C8-C7-H12

119,89

-

N2-C4-C9

118,56

-



Таблица 3

Параметры потенциала торсионной связи.

Тип связи

А1, K

А2, K

А3, K

O-N-C-C

0

792,4

0



Таблица 4

Параметры потенциала Леннарда-Джонса [4,5].

Атом

ε, эВ

σ, Å

C

0.00441

3.35

H

0.00074

2.81

O

0.00531

2.95

Si

0.01744

3.83


По результатам МД моделирования для исследуемой системы были построены графики функций радиального распределения (ФРР) для нескольких атомных пар. На рис. 3 приведен график ФРР для атомной пары Si-C7. Следует отметить, что ФРР играет центральную роль в молекулярном моделировании (характеризует организацию одних атомов около других) и является пропорциональной вероятности нахождения 2-х атомов, разделенных расстоянием r±Dr. Возникновения дополнительных пиков ФРР на рис. 3 свидетельствуют об структурной упорядоченности.

Р
ис. 2. Конфигурация системы через 55,4 пс.

Р
ис. 3. График функции радиального распределения для атомов Si-C7.

Таким образом, проведено исследование адсорбции молекул нитробензола на кварцевой подложке методом молекулярной динамики, позволяющим моделировать подробную микроскопическую картину перемещения молекул. Задачей дальнейших исследований станет изучение влияния температуры на молекулярные механизмы и процессы взаимодействия молекул индивидуальных ароматических углеводородов с кварцевой подложкой.

Литература:
  1. Б.А. Алтоиз, Ю.М.Поповский, Е.С.Ляхова. Модель Изинга эпитропной ЖК фазы. Колл. ж. – 2000. – Т.62, №3. – С.299-302.

  2. Б.А. Алтоиз, Ю.М. Поповский. Физика приповерхностных слоев жидкости. Одесса: Астропринт, – 1996. – 153 с.

  3. I.T. Todorov, W. Smith, K. Trachenko, M.T. Dove, J. Mater. Chem. – 2006. №16. P. 1911-1918.

  4. N. Rai, D. Bhatt, J.I. Siepmann, L.E. Fried. Monte Carlo simulations of 1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzene TATB: Pressure and temperature effects for the solid phase and vapor-liquid phase equilibria. The journal of chemical physics. – 2008. №129. – P. 194510.

  5. B. Rai. Molecular Modeling for the Design of Novel Performance Chemicals and Materials. CRC Press. –  2012. – 398 Pages .

Врезка1

Основные термины: молекул нитробензола, кварцевой подложке, адсорбции молекул нитробензола, молекулы нитробензола, взаимодействия молекул индивидуальных, молекул индивидуальных ароматических, Структура молекулы нитробензола, атомов молекул нитробензола, индивидуальных ароматических углеводородов, молекуле нитробензола, моделирование адсорбции молекул, молекулярных слоев, слоев жидкости, кварцевой подложке индивидуальные, процессов взаимодействия молекул, исследование адсорбции молекул, кварцевой подложке методом, процессы взаимодействия молекул, химических связей молекул, картину перемещения молекул

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle