[论文解读] A simple function for calculating the interaction between a molecule and a graphene sheet

Xiongce Zhao|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2012

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect参考文献 2被引用 4

一句话总结

该论文提出了一组通过解析推导得到的、集成化的势能函数，能够准确模拟分子与单层石墨烯之间的相互作用，仅基于垂直分离距离即可同时考虑Lennard-Jones、诱导作用、偶极-四极矩以及四极矩-四极矩相互作用。该方法在能量极小值处与原子尺度求和方法相比误差小于2%，且计算成本可忽略不计，同时能高保真度地再现吸附等温线和密度分布。

ABSTRACT

We present a novel potential model for calculating the interaction between a molecule and a single graphene sheet. The dispersion/repulsion, induction, dipole-quadrupole, quadrupole-quadrupole interactions between a fluid molecule and a graphene sheet are described by integrated functions that are only dependent on the separation between the molecule and the graphene along its planar normal. The derived potential functions are in excellent agreement with the computationally demanding atom-explicit summation method. Typical errors of the integrated potential are less than 2% in the energy minimum compared with the exact atom-explicit summation. To examine the practical effectiveness of the newly developed functions, Monte Carlo simulations were performed to model the adsorption of two representative gases in graphene sheets using both the integrated and atom-explicit potentials. The integrated potential results in same adsorption isotherms and density profiles for the adsorbed phase while it only requires negligible computing time compared with that using the atom-explicit method. The newly developed potential functions provide a simple and accurate approach to calculating the physical interaction between molecules and graphene sheets.

研究动机与目标

• 开发一种计算高效且精确的分子-石墨烯相互作用计算方法。
• 解决石墨烯-流体体系中缺乏简单而有效的势能模型的问题。
• 通过替代昂贵的原子尺度求和方法，实现石墨烯中吸附过程的大规模分子模拟。
• 利用代表性气体（甲烷和水）对新势能模型进行原子尺度模拟验证。
• 证明集成势能能够正确保留关键物理特性，如层状相变和密度分布。

提出的方法

• 通过对无限大的石墨烯片积分，推导出色散、排斥、诱导、偶极-四极矩以及四极矩-四极矩相互作用的解析表达式。
• 仅以垂直距离 z 为变量，表达总势能，利用石墨烯晶格的对称性与周期性。
• 将Lennard-Jones和多极矩相互作用项在碳原子的二维平面上进行积分。
• 通过在不同 z 值下对比集成势能与直接原子尺度求和所得能量值，验证集成势能的准确性。
• 使用集成势能和原子尺度势能分别进行蒙特卡洛模拟，比较吸附等温线和密度分布。
• 采用无量纲化学势 μ* 分析吸附相中的相变行为和层状结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 与原子尺度求和方法相比，解析集成势能能否准确再现分子与石墨烯片之间的相互作用能？
• RQ2 在分子模拟中，集成势能的计算成本与原子尺度求和方法相比如何？
• RQ3 集成势能与原子尺度势能在单层石墨烯中对甲烷和水的吸附等温线和密度分布的再现程度如何？
• RQ4 集成势能是否能正确捕捉吸附相中的层状相变，例如第一层和第二层的开始形成？
• RQ5 集成势能在模拟多极矩相互作用（包括偶极-四极矩和四极矩-四极矩项）方面具有多强的鲁棒性？

主要发现

• 在所有测试的相互作用类型中，集成势能在能量极小值处与原子尺度求和方法相比误差小于2%。
• 使用集成势能进行的蒙特卡洛模拟所得到的吸附等温线和密度分布与原子尺度势能结果几乎无法区分。
• 对于甲烷，层状相变发生在 μ* ≈ -8.6（第一层）和 μ* ≈ -7.3（第二层），两种势能模型的相变位置完全一致。
• 对于水，连续润湿相变发生在 μ* ≈ -33.4，密度分布显示第一层和第二层的位置分别为 z = ±4.4, ±10.6 Å 和 z = ±1.5, ±13.5 Å。
• 使用集成势能进行模拟的计算时间不足原子尺度求和方法所需时间的1%。
• 该方法成功捕捉了吸附相的结构细节，包括对应于分子层的密度分布中的尖锐峰，证实了其物理准确性。