vestnikmephiВестник НИЯУ МИФИVestnik natsional'nogo issledovatel'skogo yadernogo universiteta "MIFI"2304-487XNational Research Nuclear University "MEPhI"10.26583/vestnik.2025.6.8PGHXDXvestnikmephi-441Research ArticleКОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВCOMPUTER SIMULATION OF PHYSICAL AND TECHNOLOGICAL PROCESSESМетоды квантовой молекулярной динамики для моделирования свойств веществ в экстремальной областиMethods of quantum molecular dynamics for modeling the properties of substances in the extreme rangeСмальА. С.SmalA. S.

кафедра суперкомпьютерного моделирования инженерно-физических процессов, студент магистратуры, инженер

assmal@mephi.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4782-7788БогдановаЮ. А.BogdanovaYu. A.

Кандидат физико-математических наук

кафедра суперкомпьютерного моделирования инженерно-физических процессов, доцент

bogdanova.youlia@bk.ruЕгоровА. А.EgorovA. A.

кафедра химической физики, аспирант, инженер

79051807621@yandex.ruНациональный исследовательский ядерный университет «МИФИ»РоссияNational Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)Russian Federation202523112025146534543Copyright © Смаль А.С., Богданова Ю.А., Егоров А.А., 20252025Смаль А.С., Богданова Ю.А., Егоров А.А.Smal A.S., Bogdanova Y.A., Egorov A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnikmephi.elpub.ru/jour/article/view/441

Рассмотрены теоретические основы методов квантовой молекулярной динамики и теории функционала плотности (DFT), реализованные в программном пакете Quantum ESPRESSO. Основное внимание уделено применению этих методов для атомистического моделирования свойств веществ в экстремальных условиях. Проведены расчеты энергии диссоциации изотопов водорода (H2,D2,T2), показавшие хорошее согласие со справочными данными. Также выполнено моделирование процесса адсорбции водорода на поверхности алюминия и рассчитана энергия адсорбции, значение которой свидетельствует о термодинамической устойчивости образующейся системы. Верификация методики проведена на примере адсорбции воды на поверхности гидрида лития, что подтвердило ее точность. Полученные результаты имеют практическое значение для водородной энергетики, катализа и разработки новых материалов. Работа выполнена с использованием вычислительных инструментов, включая VESTA, Avogadro и BURAI, применение этих инструментов обеспечило достоверность результатов моделирования, наглядность представления данных и эффективность всего вычислительного цикла.

The theoretical foundations of quantum molecular dynamics and density functional theory (DFT) methods implemented in the Quantum ESPRESSO software package are considered. The main attention is paid to the application of these methods for the atomistic modeling of the properties of substances under extreme conditions. The dissociation energy of hydrogen isotopes (H2,D2 ,T2 ) was calculated, which showed good agreement with the reference data. The hydrogen adsorption process on the aluminum surface was also modeled and the adsorption energy was calculated, the value of which indicates the thermodynamic stability of the resulting system. The verification of the technique was carried out using the example of water adsorption on the surface of lithium hydride, which confirmed its accuracy. The results obtained are of practical importance for hydrogen energy, catalysis, and the development of new materials. The work was performed using computational tools, including VESTA, Avogadro and BURAI, the use of these tools ensured the reliability of the simulation results.

квантовая молекулярная динамикатеория функционала плотности (DFT)Quantum ESPRESSOэнергия диссоциацииизотопы водородаадсорбция водородаалюминийповерхностные явленияэнергия связиquantum molecular dynamicsdensity functional theory (DFT)Quantum ESPRESSOdissociation energyhydrogen isotopeshydrogen adsorptionaluminumsurface phenomenabinding energyРабота выполнена в рамках научной программы Национального центра физики и математики (проект 8 «Физика изотопов водорода», направление 8.1 «Исследования в области взаимодействия изотопов водорода с твердым телом»).The work was carried out within the framework of the scientific program of the National Center for Physics and Mathematics (project 8 "Physics of hydrogen isotopes", direction 8.1 "Research in the field of interaction of hydrogen isotopes with a solid")ReferencesБогданова Ю.А., Маклашова И.В., Трофимова А.Д., Егоров А.А. Моделирование свойств переноса изотопов гелия и водорода методами термодинамики и молекулярной динамики // Вестник НИЯУ МИФИ, 2024. V.13. №1. С.40-51. DOI : 10.26583/vestnik.2024.285.Bogdanova Yu.A., Maklashova I.V., Trofimova A.D., Egorov A.A. Modelirovanie svojstv perenosa izotopov geliya i vodoroda metodami termodinamiki i molekulyarnoj dinamiki [Modeling of the properties of helium and hydrogen isotope transfer by thermodynamic and molecular dynamics methods]. Vestnik NIYaU MIFI, 2024. Vol.13. No.1. pp.40-51. (in Russian) DOI: 10.26583/vestnik.2024.285.Koch W., Holthausen M.C. A Chemist’s Guide to Density Functional Theory. 2nd ed. Weinheim: Wiley-VCH, 2002. 293 p. DOI: 10.1002/3527600043.Koch W., Holthausen M.C. A Chemist’s Guide to Density Functional Theory. 2nd ed. Weinheim, Wiley-VCH, 2002. 293 p. DOI: 10.1002/3527600043.Born M., Oppenheimer R. Zur Quantentheorie der Molekeln // Annalen der Physik, 1927. V. 84. P. 457–484. DOI: 10.1002/andp.19273892002.Born M., Oppenheimer R. Zur Quantentheorie der Molekeln. Annalen der Physik, 1927. Vol. 84. Pp. 457–484. DOI: 10.1002/andp.19273892002.Pavarini E., Koch E., Schollwöck U. Emergent Phenomena in Correlated Matter: Lecture Notes of the Autumn School Correlated Electrons 2013. Forschungszentrum Jülich, 2013. 527 p. ISBN 978-3-89336-884-6Pavarini E., Koch E., Schollwöck U. Emergent Phenomena in Correlated Matter: Lecture Notes of the Autumn School Correlated Electrons 2013. Forschungszentrum Jülich, 2013. 527 p. ISBN 978-3-89336-884-6Parr R.G., Yang W. Density-Functional Theory of Atoms and Molecules. Oxford: Oxford University Press, 1994. 352 р.Parr R.G., Yang W. Density-Functional Theory of Atoms and Molecules. Oxford, Oxford University Press, 1994. 352 р.Kohn W., Sham L.J. Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects // Physical Review,1965. V.140. № 4А. P. A1133–A1138.Kohn W., Sham L.J. (1965). Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects. Physical Review, 1965. Vol.140. no. 4А. Pp. A1133–A1138.Hung N.T., Nugraha A.R.T., Saito R. Quantum ESPRESSO Course for Solid-State Physics. New York: Jenny Stanford Publishing, 2022. 372 p. DOI:10.1201/9781003290964Hung N.T., Nugraha A.R.T., Saito R. Quantum ESPRESSO Course for Solid-State Physics. New York, Jenny Stanford Publishing, 2022. 372 p. DOI:10.1201/9781003290964Справочник химика / под ред. Никольского Б.П. М.–Л.: ГНТИ Химической литературы, 1962. Т.1. 1072 с.Spravochnik himika / pod red. Nikol'skogo B.P. [Chemist's Handbook ed. by Nikolsky B.P.]. Мoscow– Leningrad, GNTI Khimicheskoi literatury Publ., 1962. Vol. 1. 1072 p.Гурвич Л.В., Вейц И.В., Медведев В.А. и др. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: Справочное издание. М.: Наука, 1981. 352 с.Gurvich L.V., Veits I.V., Medvedev V.A. et al. Termodinamicheskie svojstva individual'nyh veshchestv: Spravochnoe izdanie [Thermodynamic properties of individual substances: Reference publication]. Moscow, Nauka Publ., 352 p.Peng Z., Shuangxi W., Jian Zh., Chaohui H., Ping Z. First-principles study of H2 adsorption and dissociation on Zr (0001) // Journal of Nuclear Materials, 2011. V. 418. Iss. 1-3 P.159 – 164. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2011.06.029Peng Z., Shuangxi W., Jian Zh., Chaohui H., Ping Z. First-principles study of H2 adsorption and dissociation on Zr (0001). Journal of Nuclear Materials, 2011. Vol. 418. Iss. 1-3. Pp.159 – 164. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2011.06.029Tsatsoulis. T., Hummel. F., Usvyat. D., Schütz. M., Booth. G. H., Binnie. S. S., Gillan. M. J., Alfè. D., Michaelides. A., Grüneis. A. A comparison between quantum chemistry and quantum Monte Carlo techniques for the adsorption of water on the (001) LiH surface // Journal of Chemical Physics, 2017. V.146 (20). Art. id. 204108. DOI: 10.1063/1.4984048.Tsatsoulis. T., Hummel. F., Usvyat. D., Schütz. M., Booth. G. H., Binnie. S. S., Gillan. M. J., Alfè. D., Michaelides. A., & Grüneis. A. A comparison between quantum chemistry and quantum Monte Carlo techniques for the adsorption of water on the (001) LiH surface. Journal of Chemical Physics, 2017. Vol.146 (20). Art. id. 204108. DOI: 10.1063/1.4984048.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.