1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физика и химия стекла
  4. T. 49, № 4, 2023

Физика и химия стекла, 2023, T. 49, № 4, стр. 401-416

Набор самосогласованных параметров потенциала Леннард–Джонса для молекулярно-динамического моделирования боросиликатных стекол

Г. И. Макаров 1, *, К. С. Шилкова 1, А. В. Шунайлов 1, П. В. Павлов 1, Т. М. Макарова 1

1 Южно-Уральский государственный университет
454080 Челябинск, пр. Ленина, 76, Россия

* E-mail: makarovgi@susu.ru

Поступила в редакцию 12.08.2022
После доработки 11.10.2022
Принята к публикации 07.12.2022

Аннотация

Разработана модель силового поля для высокопроизводительного молекулярно-динамического моделирования неорганических оксидных материалов, в том числе боросиликатных стекол, основанное на сочетании электростатических взаимодействий с потенциалами Леннард–Джонса вида 6–12. Параметры силового поля подбирались так, чтобы воспроизводить структуру и объемный модуль всестороннего сжатия бинарных оксидов широкого набора элементов. Предлагаемое силовое поле способно с высокой точностью воспроизводить структуры минералов, содержащих от двух до трех видов катионов, при их молекулярно-динамическом моделировании. Применение потенциала 6–12 обеспечивает совместимость разработанной модели силового поля с силовыми полями для органических соединений по типу дисперсионного взаимодействия, что позволяет использовать его при совместном моделировании органических и неорганических фаз, например, при моделировании композитных материалов с минеральными и стеклянными наполнителями.

Ключевые слова: молекулярная динамика, силовое поле, стекло, силикаты, оксиды, потенциал Леннард–Джонса

Список литературы

  1. Ma M., Li H., Xiong Y., Dong F. Rational design, synthesis, and application of silica/graphene-based nanocomposite: A review // Materials & Design, 2021. V. 198. P. 109367.

  2. van Beest B.W.H., Kramer G.J., van Santen R.A. Force fields for silicas and aluminophosphates based on ab initio calculations // Physical Review Letters. 1990. V. 64. P. 1955–1958.

  3. Hu Y.-J., Zhao G., Zhang M., Bin B., Del Rose T., Zhao Q., Zu Q., Chen Y., Sun X., de Jong M., Qi L. Predicting densities and elastic moduli of SiO2-based glasses by machine learning // npj Computational Materials, 2020. V. 6. P. 25.

  4. Goodman B.J. A Study of Vitrified Nuclear Wasteforms by Molecular Dynamics, Electron Microscopy and Raman Spectroscopy. University of Kent, 2015. Master thesis. 143 p.

  5. Pedone A., Malavasi G., Menziani M.C., Cormack A.N., Segre U. A new self-consistent empirical interatomic potential model for oxides, silicates, and silica-based glasses // J. Physical Chemistry B. 2006. V. 110. P. 11780–11795.

  6. Mishnev M., Korolev A., Bartashevich E., Ulrikh D. Effect of long-term thermal relaxation of epoxy binder on thermoelasticity of fiberglass plastics: multiscale modeling and experiments // Polymers. V. 14. P. 1712.

  7. Wang J., Wolf R.M., Caldwell J.W., Kollman P.A., Case D.A. Development and testing of a general amber force field // J. Comput. Chem. 2004. V. 25. P. 1157–1174.

  8. Soares T.A., Hünenberger P.H., Kastenholz M.A., Kräutler V., Lenz T., Lins R.D., Oostenbrink C., van Gunsteren W.F. An improved nucleic acid parameter set for the GROMOS force field // J. Comput. Chem., 2005. V. 26. P. 725–737.

  9. Vanommeslaeghe K., Raman E.P., MacKerell A.D. Jr. Automation of the CHARMM General Force Field (CGenFF) II: Assignment of bonded parameters and partial atomic charges // J. Chemical Information and Modeling. 2012. V. 52. P. 3155–3168.

  10. Wennberg C.L., Murtola T., Hess B., Lindahl E. Lennard–Jones lattice summation in bilayer simulations has critical effects on surface tension and lipid properties // J. Chem. Theory Comput. 2013. V. 9. P. 3527–3537.

  11. Heinz H., Lin T.-J., Mishra R.K., Emami F.S. Thermodynamically consistent force fields for the assembly of inorganic, organic, and biological nanostructures: The INTERFACE force field // Langmuir. 2013. V. 29. P. 1754–1765.

  12. Tsuneyuki S., Tsukada M., Aoki H., Matsui Y. First-principles interatomic potential of silica applied to molecular dynamics // Physical Review Letters, 1988. V. 61. P. 869–872.

  13. Vaitkus A., Merkys A., Gražulis S. Validation of the Crystallography Open Database using the Crystallographic Information Framework // J. Applied Crystallography, 2021. V. 54. P. 661–672.

  14. Smyth J.R., Jacobsen S.D., Hazen R.M. Comparative Crystal Chemistry of Dense Oxide Minerals // Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 2000. V. 41. P. 157–186.

  15. Gale J.D., Rohl A.L. The General Utility Lattice Program (GULP) // Molecular Simulation, 2003. V. 29. P. 291–341.

  16. Abraham M., Murtola T., Schulz R., Páll S., Smith J., Hess B., Lindahl E. GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers // SoftwareX, 2015. V. 1–2. P. 19–25.

  17. Bussi G., Donadio D., Parrinello M. Canonical sampling through velocity rescaling // J. Chem. Phys. 2007. V. 126. P. 014101.

  18. Berendsen H.J.C., Postma J.P.M., van Gunsteren W.F., DiNola A., Haak J.R. Molecular dynamics with coupling to an external bath // J. Chem. Phys. 1984. V. 81. P. 3684–3690.

  19. Diego Gatta G., Angel R.J., Rotiroti N., Carpenter M.A. High-pressure and low-temperature behaviour of trigonal kalsilite // Geophysical Research Abstracts, 2010. V. 12, EGU2010-12321.

  20. Darden T., York D., Pedersen L. Particle mesh Ewald: An N⋅log(N) method for Ewald sums in large systems // J. Chem. Phys. 1993. V. 98. P. 10 089–10 092.

  21. Wennberg C.L., Murtola T., Hess B., Lindahl E. Lennard–Jones Lattice Summation in Bilayer Simulations Has Critical Effects on Surface Tension and Lipid Properties // J. Chem. Theory Comput. 2013. V. 9. P. 3527–3537.

  22. Shelby J.E. Introduction to Glass Science and Technology // Royal Society of Chemistry, 2 ed. 2007.

  23. Lipinska-Kalita K.E., Kalita P., Hemmers O., Hartmann T. Equation of state of gallium oxide to 70 GPa: Comparison of quasihydrostatic and nonhydrostatic compression // Physical Review B. 2008. V. 77. P. 094123.

  24. Barzilai S., Halevy I., Yeheskel O. Bulk modulus of Sc2O3: Ab initio calculations and experimental results // J. Applied Physics, 2011. V. 110. P. 043 532.

  25. Palko J.W., Waltraud W.M., Sinogeikin S.V., Bass J.D., Sayir A. Elastic constants of yttria (Y2O3) monocrystals to high temperatures // J. Applied Physics, 2001. V. 89. P. 7791–7796.

  26. Materials Data on Na2SiO3 by Materials Project // LBNL Materials Project; Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), Berkeley, CA (United States), 2020.

  27. Bass J.D. Elasticity of Minerals, Glasses, and Melts // In: Mineral Physics and Crystallography: A Handbook of Physical Constants. 1995. Eds. Ahrens T. J. Washington: American Geophysical Union. P. 45–63.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Физика и химия стекла

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал