Effizient, Effizienter, ReaxFF+ ... Molekulardynamik komplexer Systeme

Größeneinordnung ReaxFF
Größeneinordnung ReaxFF

Eine adäquate atomskalige Beschreibung der chemischen und physikalischen Eigenschaften komplexer Prozesse erfordern Zeit- und Längenskalen, welche mit reinen ab inito Methoden nicht erreicht werden können.

Die Simulation solcher Prozesse ist mit einem reaktiven Kraftfeld (ReaxFF) möglich. Die Beschreibung der interatomaren Wechselwirkungen durch analytische Funktionen ermöglicht die Simulation auf mesoskopischen Zeit- und Längenskalen bei exzellenter Genauigkeit.  Die besondere Herausforderung besteht in der optimalen Wahl der Potentialparameter. Die Entwicklung von individuell angepassten Parametersätzen ist eine unserer Kernkompetenzen.

Durch die vielfältig auftretenden Problemstellungen, ist die Weiterentwicklung der ReaxFF Potentialterme ein weiterer wichtiger Bestandteil unserer langjährigen Arbeit.
Die von unseren Entwicklern stetig durchgeführten Modifikationen und Verbesserungen des ReaxFF waren die Geburtsstunden von ReaxFF+. Mit ReaxFF+ konnte die Lücke zwischen ab initio-Methoden und klassischen Force Fields geschlossen werden.

ReaxFF vs. ReaxFF+

Fortschritt ist Veränderung - daher arbeiten unsere Entwickler stets an der Verbesserung der Potentialterme und Parametersätze. Dabei werden sowohl neue Potentialterme auf Basis chemischer und physikalischer Grundlagen hinzugefügt sowie Algorithmen optimiert und implementiert.

Potential ReaxFF ReaxFF+ Anwendung
Van der Waals Dispersive und repulisve Kräfte durch einen Parameter (atomabhängig) gekoppelt Bindungsabhängige Parameter für dispersive und repulsive Kräfte
unabhängig skalierbar
van der Waals Kräfte und starke Repulsive Kräfte können in 3-Fach-Bindungen (z.B.N2) adäquat beschrieben werden
„Lone-Pair“-Energie Verringerung der Energie bei Bindung über freien Elektronenpaar Zusätzlicher Term für die Stabilisierung der Bindung bei Anwesenheit freier Elektronenpaare Beschreibung unterschiedlicher Bindungsstärken in GaCl  und GaCl3  
Verbesserte Beschreibung der Gleichgewichtsladungen
Coulomb-Potential Schirmung nur durch atomare Parameter Schirmung durch bindungssprezifische Parameter Verbessertes Ladungsgleichgewicht
Coulomb-Potential Schirmung nur durch atomare Parameter Zusätzliche Schirmung bei starken Sigma-BindungenMögliche Beschreibung von Überkoordinierten ionischen Komplexen
Coulomb-Potential Fester Parameter für die „Self-Repulsion“ „Self-Repulsion“ abhängig von der Über- und Unterkoordination des beteiligten Atoms Verbesserte Beschreibung von ionischen Fragmenten und deren Dissoziation (z.B. H2O -> H+ + OH-)

Ionische Systeme in ReaxFF+ ... Das Plus in ReaxFF+

Chemie ohne Ionen – undenkbar!

Eine weitere Besonderheit des ReaxFF ist die Verwendung einer Gleichgewichtsmethode zur Ermittlung der atomaren Ladungen in Abhängigkeit der geometrischen Verhältnisse.

Leider wird dieses Ladungsgleichgewicht in ReaxFF unabhängig von der Bindungsordnung ermittelt, was zu unphysikalischen Bindungen mit gleichzeitig ionischen und kovalenten Charakter führen kann.

Dies ist insbesondere bei der Beschreibung von basischen und sauren Lösungen sowie der Dissoziationen  von ionischen und neutralen Molekülen problematisch.

Daher besteht die entscheidende Weiterentwicklung des ReaxFF+ in einem mit der Bindungsordnung korrelierten Ladungsgleichgewichtes, welches die korrekte Beschreibung von rein ionischen und kovalenten Bindungen ermöglicht.

Die Abbildung zeigt die Ladungsverteilung in kovalenten und ionischen Bindungen. Im Detail wird dieses Verhalten durch ein von den Bindungsverhältnissen abhängigen geschirmten Coulomb-Potential erreicht.

ReaxFF+ in der Praxis

„In der Theorie gibt es keinen Unterschied zwischen Theorie und Praxis.“

Die Erfahrung hat gezeigt, dass ReaxFF+ ein vielseitiges Anwendungsspektrum besitzt. Hierzu zählen unter anderem:

  • Kristallwachstum (MBE, HVPE, CVD …)
  • Reaktionsraten in basischen und sauren Lösungen
  • Diffusion komplexer Moleküle
  • Phasenübergänge und Kristallisation
  • Einfluss von Katalysatoren auf Reaktionsraten
  • Erstarren von Polymerschmelzen
  • Reibungs- und Abriebprozesse
  • Verbrennungsreaktionen in einem Reaktor
  • Bruch- und Rissbildung in Verbundmaterialien

ReaxFF+ ganz individuell

Ihr Wunsch ist unser Ziel. Unsere Datenbank bietet eine große Anzahl von Parametersätzen für unterschiedlichste Problemstellungen. Sollte es dennoch vorkommen, dass für Ihr spezielles Problem keine geeigneter Datensatz vorhanden ist, so stehen effiziente Methoden zur individuellen Anpassung der Parametersätze zur Verfügung.

Gern beraten wir Sie bei der Auswahl des Parametersatzes, der Planung der durchzuführenden Simulationen und erstellen Ihnen ein maßgeschneidertes Angebot.


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