zajímavosti z oblasti fyziky klastrů ve světě (pro studenty a další zájemce) 

• Simulace a programy Jiřího Kolafy (VŠCHT Praha)
• Simulace a programy Rhonalda Luaze (University of Minnesota)

Zajímavá fyzika

na Ostravské univerzitě (zajímavosti z fyziky, pořádané akce ... )

možnost stažení souborů k ukázkovým simulacím

Stáhněte si zdarma program MolDraw, který Vám umožní zobrazit výsledky simulací. Můžete si s nimi sami pohrát. Níže naleznete odkazy na program MolDraw a vstupní soubory ukázkových simulací, doplněné vždy stručným návodem k použití.

MolDraw

Program MolDraw je jednoduchý vizualizační nástroj, sloužící ke statickému i dynamickému zobrazení atomových a molekulových struktur. Byl vyvinut skupinou CPG na Ostravské Univerzitě pro účely prohlížení rovnovážných struktur atomových klastrů a vizualizace jejich časového vývoje. Po načtení vstupního souboru ve formátu xyz se objeví třídimenzionální obraz klastru, kterým lze např. otáčet, přibližovat jej nebo oddalovat, měřit vzdálenosti mezi atomy aj. Pokud vstupní soubor obsahuje více obrázků, přehraje se jako animace. Běh animace je možné plně kontrolovat (zastavit, zpomalit či zrychlit, pohybovat se dopředu a dozadu, ukládat jednotlivé obrázky a pod.). Vstupní soubor může navíc obsahovat data týkající se rychlosti atomů, jejich elektrického náboje a ve zjednodušené formě i jejich elektronové struktury. Tato data program dokáže načíst a názorně zobrazit.

Monte Carlo simulace kationtu klastru kryptonu Kr₁₄⁺

Metoda Monte Carlo generuje konfigurace (prostorové uspořádání jader atomů) klastru, které odpovídají určité termodynamické teplotě. Získané konfigurace pak lze použít k výpočtu termodynamických nebo strukturních parametrů (např. tepelné kapacity, kalorické křivky,...). Pomocí programu MolDraw.exe si můžete prohlédnout soubor mc_kr.xyz. Uvidíte Monte Carlo simulaci klastru při teplotě 40 Kelvinů. Znázorněný klastr je tvořen 14 atomy kryptonu, kterým byl odebrán jeden elektron. Jádra atomů, na kterých je koncentrován kladný elektrický náboj, jsou znázorněna červeným odstínem, jádra atomů, na kterých není koncentrován elektrický náboj, jsou znázorněna barvou modrou.

Vstupní soubor pro program MolDraw k této simulaci si můžete stáhnout zde. 

Rozpad Ar₃ po ionizaci

Klastry (neboli shluky atomů) vzácných plynů se mohou rozpadat. Může k tomu dojít tím, že klastrům dodáme energii (ohřátím, pohlcením fotonů) nebo tím, že odtrhneme elektron z libovolného orbitalu některého atomu v klastru. V prvním případě dojde k rozpadu, pokud dodáme energii nutnou k rozbití klastru (tzv. disociační energie), nebo větší. Ve druhém případě vzniká z neutrálního klastru odtržením elektronu iont klastru (iontový klastr). Protože vznikl z neutrálního klastru, ve kterém se atomy přitahují slabšími silami, nebude uspořádaní jeho atomů odpovídat minimální energii pro iontový klastr (toto uspořádání není stabilní konfigurací). Takovýto „pokřivený“ iontový klastr se pak může rozpadnout. Na odkazu níže si můžete stáhnout vstupní soubory, obsahující dva příklady simulace chování klastru po ionizaci. Neutrální trimer argonu (klastr obsahující tři atomy argonu) byl nejdříve ohřát, po té ionizován. Jeden příklad ukazuje situaci, kdy se klastr nerozpadá, druhý prezentuje rozpad na části (fragmenty). Doporučení: Nastavte před otevřením souboru: 1. v boxu pod položkou Animation/Zoom volbu Overflowing frames; 2. v boxu pod položkou Options/Atoms volbu Atom Colors by Charge.

Ostřelování klastru Ar₉

Obvyklou metodou zkoumání mikroobjektů je jejich ostřelování jinými částicemi. Nejčastěji se používají ionty, které je možné urychlit elektrickým polem. Na níže uvedeném odkazu si můžete stáhnout vstupní soubory pro simulace, které odpovídají několika vybraným způsobům srážky iontu argonu s neutrálním argonovým klastrem Ar9. Tento klastr se skládá z devíti atomů argonu. Na začátku srážky se klastr nachází ve stabilní rovnovážné konfiguraci s minimální energií. Vstupní soubory odpovídají různým počátečním podmínkám. Mění se rychlost (hybnost, energie) nalétávajícího iontu argonu a tzv. srážkový parametr (kolmá vzdálenost těžiště klastru od přímky, na které leží rychlost iontu). Doporučení: Nastavte před otevřením souboru: 1. v boxu pod položkou Animation/Zoom volbu First frame of animation; 2. v boxu pod položkou Options/Atoms volbu Atom Colors by Charge; 3. roztáhněte okno na celou obrazovku.

Chlazení klastru (H₂O)₄ tvořeného čtyřmi molekulami vody

Cílem strukturních výpočtů je nalezení prostorového uspořádání molekul klastru, které by mělo nejnižší možnou potenciální energii. Existuje více metod na hledání globálního minima energie. Některé z těchto metod jsou inspirovány přírodou. Výpočet rovnovážných struktur klastrů metodou simulovaného žíhání napodobuje krystalizaci. Při vysoké teplotě převažují uspořádání molekul s vysokou potenciální energií, při nízké teplotě naopak převažují konfigurace s nízkou energií. Metoda Monte Carlo generuje konfigurace (tzn. prostorové uspořádání molekul klastru) tak, že energie těchto konfigurací (přesněji řečeno distribuce energií generovaných konfigurací) odpovídají konkrétní termodynamické teplotě. Pokud bude počáteční teplota dostatečně vysoká, energie konfigurací klastru budou taky vysoké a umožní molekulám volný pohyb v prostoru. Se snižující se teplotou budou postupně upřednostňovány konfigurace s nižší energií. Pokud budeme v Monte Carlo simulaci snižovat teplotu příliš rychle, může se stát, že nalezneme pouze metastabilní stav, tzn. konfiguraci klastru odpovídající lokálnímu minimu energie. Snižujeme-li teplotu dostatečně pomalu, molekuly klastru zaujmou takové prostorové uspořádání, že energie systému bude minimální.
Pro větší klastry je tedy nutné provézt chlazení opakovaně, tzn. po ochlazení klastr opět rychle zahřejeme a pomalu ochlazujeme. Při každém ochlazení obdržíme rovnovážnou strukturu. Konfigurace pak seřadíme podle jejich energií. Pokud jsme prováděli chlazení dostatečně pomalu, je pravděpodobné, že ta konfigurace, která má nejnižší energii, odpovídá nejnižší možné energii (globálnímu minimu). V programu MolDraw si můžete prohlédnout chlazení klastru (H₂O)₄ (soubor sa_water.xyz). Můžete pozorovat, jak postupně klesá střední hodnota potenciální energie s klesající teplotou. Výsledkem je prostorové uspořádání molekul s minimální potenciální energií, tzn. uspořádání, ve kterém bychom našli klastr ochlazený na teplotu blízkou nule kelvinů.

Rovnovážné struktury klastru (H₂O)₁₂

V programu MolDraw si můžete prohlédnout soubor structures.xyz. Soubor obsahuje 50 rovnovážných konfigurací klastru tvořeného 12 molekulami vody vypočítaných metodou simulovaného žíhání. Výpočet proběhl tak, že jsme 50 krát klastr rychle zahřáli na teplotu, při které byl klastr v plynném skupenství, a poté pomalu ochladili na teplotu blízkou nule kelvinů. Na konci každého chlazení jsme zapsali strukturu klastru při nejnižší teplotě. Struktury jsou seřazeny podle energie. Struktura s nejnižší energií odpovídá globálnímu minimu energie, struktury s vyšší energií odpovídají lokálním minimům energie.