Методы квантовой молекулярной динамики для моделирования свойств веществ в экстремальной области

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.

1. Богданова 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.

2. 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.

3. Born M., Oppenheimer R. Zur Quantentheorie der Molekeln // Annalen der Physik, 1927. V. 84. P. 457–484. DOI: 10.1002/andp.19273892002.

4. 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 978-3-89336-884-6

5. Parr R.G., Yang W. Density-Functional Theory of Atoms and Molecules. Oxford: Oxford University Press, 1994. 352 р.

6. Kohn W., Sham L.J. Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects // Physical Review,1965. V.140. № 4А. P. A1133–A1138.

7. 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:10.1201/9781003290964

8. Справочник химика / под ред. Никольского Б.П. М.–Л.: ГНТИ Химической литературы, 1962. Т.1. 1072 с.

9. Гурвич Л.В., Вейц И.В., Медведев В.А. и др. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: Справочное издание. М.: Наука, 1981. 352 с.

10. 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.2011.06.029

11. 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. V.146 (20). Art. id. 204108. DOI: 10.1063/1.4984048.