Современные методы Монте-Карло для моделирования полимеров (pdf)
Лектор: к.ф.-м.н., доцент Иванов В. А.
Аннотация курса
В этом спецкурсе, который является прямым продолжением спецкурсов «Методы компьютерного моделирования в статистической физике» и «Компьютерное моделирование полимерных систем», читающихся в 8 и 9 семестре, основное внимание уделяется современным компьютерным методам исследования полимерных систем и имеющегося для этих целей программного обеспечения. Одна из основных задач данного факультативного годового курса лекций – обозначить при изложении различных методов общие принципы мультимасштабного моделирования, т.е. указать пути “стыковки”, сопряжения результатов моделирования, полученных микроскопическими, мезоскопическими и макроскопическими методами, “работающими” на разных пространственных и временных масштабах. К микроскопическим относят методы, в которых система описывается на “языке” атомов и молекул (это методы МК, МД, метод стохастической динамики). К мезоскопическим относятся методы описания системы в терминах коллективных переменных, например, функций распределения потенциальных полей и плотностей (это теоретико-полевые методы самосогласованного среднего поля, функционала плотности, нелинейных интегральных уравнений теории жидкостей, метод диссипативной динамики частиц). Наконец, макроскопические методы – это феноменологические методы решения уравнений в сплошных средах (механика сплошных сред, электродинамика, гидродинамика, метод конечных элементов, полуэмпирические методы расчета физических свойств полимеров на основе вкладов отдельных атомов и/или атомных групп и др.).
Структура и содержание спецкурса
- Введение. Пространственные и временные масштабы в полимерных системах. Общий обзор методов моделирования. Общие принципы и подходы для сопряжения методов, пригодных для моделирования на разных пространственных и временных масштабах.
- Использование квантово-химических расчетов для полимерных систем
- Атомистическая молекулярная динамика
- Методы учета дальнодействующих взаимодействий. Суммирование по Эвальду.
- Пакеты Espresso, DL-POLY, Gromacs
- Моделирование методом Монте-Карло в различных ансамблях
- Мультиканоническое моделирование.
- Алгоритмы для расчета функции плотности состояний (алгоритм Ванга-Ландау, алгоритм стохастической аппроксимации).
- Моделирование расширенных ансамблей с помощью метода Монте-Карло.
- Метод Монте-Карло со смещением по конфигурациям (configurational bias MC).
- Ансамбль Гиббса
- Метод “размягчения” потенциала взаимодействия (single and parallel tempering technique)
- Алгоритмы повышенной размерности (четырехмерный алгоритм для трехмерной цепи)
- Методы расчета свободной энергии в компьютерном моделировании
- Методы моделирования редких событий
- Методы нелинейных интегральных уравнений теории жидкостей
- Гибридные схемы Монте Карло / PRISM и Монте Карло / молекулярная динамика
- Метод диссипативной динамики частиц
- Пакет DPDChem
- Методы самосогласованного среднего поля
- Алгоритм «одной цепи в самосогласованном поле»
- Метод конечных элементов
- Полуэмпирические методы расчета физических свойств полимеров на основе вкладов отдельных атомов и/или атомных групп (на примере метода А.А.Аскадского и программы Каскад)
- Мультимасштабное моделирование полимерных систем на примере растворов сопряженных полимеров
- Пакеты VOTKA, OCTA
- Пакет Accelrys Materials Studio
Основные учебные пособия, обеспечивающие курс:
- D.Frenkel, B.Smit, Understanding molecular simulation: from algorithms to applications. Academic Press, 2002.
- Computer Simulations in Condensed Matter: From Materials to Chemical Biology. Ferrario M., Ciccotti G., Binder K. (Eds.). V.1. (Lecture Notes in Physics, v.703). Berlin-Heidelberg: Springer, 2006. 711 p; V.2. (Lecture Notes in Physics, v. 704). Berlin-Heidelberg: Springer, 2006. 598 p.
- Simulation Methods for Polymers, edited by M. Kotelyanskii, D. N. Theodorou, Marcel Decker, Inc., New York, 2004, 602 pages.
- Monte Carlo and Molecular Dynamics of Condensed Matter Systems. Eds. Binder K., Ciccotti G. Conference Proceedings, V.49 (Proceedings of the Euroconference on Computer Simulation in Condensed Matter Physics and Chemistry, 3-28 July 1995, Como, Italy), Italian Physical Society (Societa Italiana di Fisica), Bologna, 1996. 958 p.
Основные учебно-методические работы, обеспечивающие курс
- Методы компьютерного моделирования для исследования полимеров и биополимеров / Отв. ред. В. А. Иванов, А. Л. Рабинович, А. Р. Хохлов. М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. — 688 с., цв. вкл.
Основные научные статьи, обеспечивающие курс
- Baschnagel J., Binder K., Doruker P., Gusev A.A., Hahn O., Kremer K., Mattice W.L., Mueller-Plathe F., Murat M., Paul W., Santos S., Suter U.W., Tries V. Bridging the Gap Between Atomistic and Coarse-Grained Models of Polymers: Status and Perspectives // Adv. Polym. Sci. 2000. V.152. P.41-156.
- Glotzer S.C., Paul W. Molecular and Mesoscale Simulation Methods for Polymer Materials // Annu. Rev. Mater. Res. 2002. V.32. P.401–436.
- de Pablo J.J., Curtin W.A. (Guest Editors). Multiscale Modeling in Advanced Materials Research: Challenges, Novel Methods, and Emerging Applications // Material Research Society (MRS) Bulletin 2007. V.32 No.11. P.905-911.
- Arnold A., Holm C. Efficient Methods to Compute Long-Range Interactions for Soft Matter Systems // In: Advanced Computer Simulation Approaches for Soft Matter Sciences II // Adv. Polym. Sci. 2005. V.185. P.59-109.
- Dünweg B. Advanced Simulations for Hydrodynamic Problems: Lattice Boltzmann and Dissipative Particle Dynamics // In: Computational Soft Matter: From Synthetic Polymers to Proteins, Lecture Notes, N. Attig, K. Binder, H. Grubmüller, K. Kremer (Eds.), John von Neumann Institute for Computing, Jülich, NIC Series, 2004. V.23. ISBN 3-00-012641-4. P.61-82.