Молекулярно-динамическое моделирование адсорбции молекул нитробензола на кварцевой подложке

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].

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].

Таблица 3

Параметры потенциала торсионной связи.

Таблица 4

Параметры потенциала Леннарда-Джонса [4,5].

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.

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 .