В научном журнале SoftwareX опубликована статья, соавтором которой стал сотрудник отдела перспективных исследований НПК «Криптонит» Антон Расковалов. Он предложил новый способ моделирования некоторых физических явлений в программе azTotMD 2.0, основу которой составляет метод молекулярной динамики.
Изображение: Artem Egorov via iStock by Getty Images
В своей работе Антон указывает, что имеющиеся подходы к моделированию процессов, протекающих при постоянной температуре, не совсем корректны. Это связано преимущественно с тем, что метод молекулярной динамики в чистом виде не учитывает влияние температуры. Чтобы его задать, применяются дополнительные алгоритмы-термостаты, в которых температура выражается через значение средней кинетической энергии атомов. Такая интерпретация температуры выводится из молекулярно-кинетической теории и справедлива лишь для идеальных газов, но на практике она используется при моделировании взаимодействий в самых разных веществах, просто за неимением лучшего варианта. Это приводит к тому, что, проводя серию расчётов при различных температурах, мы не можем воспроизвести экспериментально определённые температурные зависимости: правильное изменение объёма, температуры фазовых переходов (плавления, испарения) и т.д.
Антон предложил новый подход, позволяющий задать температуру через спектр собственного излучения физических тел. Как известно, любое тело отдаёт во внешнее пространство энергию в виде электромагнитного излучения разной частоты. У большинства окружающих нас предметов спектр излучения лежит в инфракрасной области. Сильно нагретые тела начинают светиться в диапазоне видимого и ультрафиолетового света, переходя в область жёсткого излучения при экстремально высоких температурах. Таким образом, спектр излучения тела позволяет судить о его температуре. В этом легко убедиться с помощью пирометра — прибора для измерения температуры непрямым (бесконтактным) способом.
Можно сказать, что температура — это такое энергетическое состояние вещества, при котором оно излучает заданный спектр. Исходя из этого определения, Антон предложил алгоритм термостатирования, в котором учитывается как поглощение атомными оболочками фотонов, так и их излучение. Согласно закону сохранения импульса и закону сохранения энергии, взаимодействие фотонов с атомами должно изменять скорости последних.
Учитывая этот факт, Антон Расковалов и его соавтор Платон Сурков разработали алгоритм термостата, который не подгоняет скорости под формулу из молекулярно-кинетической теории, а вносит в них необходимые возмущения за счет взаимодействия с виртуальными фотонами. Этот термостат они назвали излучательным (radiative).
Основываясь на особенности работы излучательного термостата (в котором фактически добавляется дополнительная переменная на каждый атом), авторы ввели температурно-зависимый парный потенциал. Он описывает зависимость потенциальной энергии от расстояния между парой частиц, учитывая температурное возбуждение атомов. Сочетание моделей «излучательного термостата» и парных потенциалов, зависящих от температуры, позволяет более точно моделировать целый ряд физических явлений, таких как тепловое расширение, фазовые переходы, дефектообразование, поверхностное натяжение и другие.
Работа выполнялась при поддержке гранта РФФИ в Институте высокотемпературной электрохимии УрО РАН совместно с Уральским федеральным университетом и Институтом математики и механики Уральского отделения Российской академии наук. Программная часть целиком написана сотрудником НПК «Криптонит» Антоном Расковаловым.
Источник информации и фото: НПК «Криптонит»
