Алгоритмы численного моделирования сверхбыстрого фотоиндуцированного межмолекулярного переноса заряда в жидкостях

Ключевые слова:

броуновское моделирование, рекроссинг-алгоритмы, теория встреч, межмолекулярный перенос заряда, фотохимические реакции

Аннотация

Предложены подходы к численному решению систем уравнений, описывающих кинетику двухстадийной фотохимической реакции в вязком полярном растворителе. Математическая модель построена на основе расширенной интегральной теории встреч и учитывает диффузионную подвижность молекул-реагентов в жидкости, неравновесность среды и внутримолекулярных степеней свободы, удаленный перенос электрона в донорно-акцепторных парах, разделенных растворителем. В рамках метода броуновского моделирования разработаны алгоритмы расчета безреакционных стохастических траекторий частиц на поверхностях свободной энергии, соответствующих различным состояниям реагентов и продуктов, схемы детектирования реакционных событий и генерации электронных "прыжков", а также алгоритмы расчета нестационарных потоков частиц между электронными состояниями и вычисления интегральных ядер кинетических уравнений. Представлены результаты тестовых расчетов, демонстрирующие корректность численного решения и воспроизводящие известные особенности реакций электронного переноса в полярных жидкостях.

Об авторах

С.В. Феськов,
С.С. Хохлова,

Литература

  1. Allen M.P., Tildesley D.J. Computer simulation of liquids. New York: Oxford University Press, 1991.
  2. Van Kampen N.G. Stochastic processes in physics and chemistry. Amsterdam: Elsevier Science, 2007.
  3. Landau D.P., Binder K. A guide to Monte Carlo simulations in statistical physics. Cambridge: Cambridge University Press, 2009.
  4. Zharikov A.A., Burshtein A.I. Nonlocal ionization in encounter theory // J. Chem. Phys. 1990. 93, N 8. 5573–5579.
  5. Feskov S.V., Ivanov A.I., Burshtein A.I. Integral encounter theory of strong electron transfer // J. Chem. Phys. 2005. 122. doi 10.1063/1.1871935.
  6. Rosspeintner A., Lang B., Vauthey E. Ultrafast photochemistry in liquids // Annu. Rev. Phys. Chem. 2013. 64. 247–271.
  7. Kumpulainen T., Lang B., Rosspeintner A., Vauthey E. Ultrafast elementary photochemical processes of organic molecules in liquid solution // Chem. Rev. 2017. 117, N 16. 10826–10939.
  8. Zusman L.D. Outer-sphere electron transfer in polar solvents // Chem. Phys. 1980. 49, N 2. 295–304.
  9. Feskov S.V., Mikhailova V.A., Ivanov A.I. Non-equilibrium effects in ultrafast photoinduced charge transfer kinetics // J. Photochem. Photobiol. C. 2016. 29. 48–72.
  10. Sung J., Lee S. Relations among the modern theories of diffusion-influenced reactions. II. Reduced distribution function theory versus modified integral encounter theory // J. Chem. Phys. 2000. 112, N 5. 2128–2138.
  11. Ivanov K.L., Lukzen N.N., Doktorov A.B., Burshtein A.I. Integral encounter theories of multistage reactions. I. Kinetic equations // J. Chem. Phys. 2001. 114, N 4. 1754–1762.
  12. Ivanov K.L., Lukzen N.N., Morozov V.A., Doktorov A.B. Integral encounter theories of multistage reactions. IV. Account of internal quantum states of reactants // J. Chem. Phys. 2002. 117, N 20. 9413–9422.
  13. Burshtein A.I. Non-Markovian theories of transfer reactions in luminescence and chemiluminescence and photo- and electrochemistry // Adv. Chem. Phys. 2004. 129. 105–418. 38 вычислительные методы и программирование. 2020. Т. 21
  14. Gladkikh V., Burshtein A.I., Feskov S.V., et al. Hot recombination of photogenerated ion pairs // J. Chem. Phys. 2005. 123. doi 10.1063/1.2140279.
  15. Feskov S.V., Rogozina M.V., Ivanov A.I., et al. Magnetic field effect on ion pair dynamics upon bimolecular photoinduced electron transfer in solution // J. Chem. Phys. 2019. 150, N 2. doi 10.1063/1.5064802.
  16. Jortner J., Bixon M. Intramolecular vibrational excitations accompanying solvent-controlled electron transfer reactions // J. Chem. Phys. 1988. 88, N 1. 167–170.
  17. Feskov S.V., Ivanov A.I. Solvent-assisted multistage nonequilibrium electron transfer in rigid supramolecular systems: diabatic free energy surfaces and algorithms for numerical simulations // J. Chem. Phys. 2018. 148, N 10. doi 10.1063/1.5016438.
  18. Феськов С.В. Метод броуновского моделирования в задачах расчета динамики электронного переноса // Вычислительные методы и программирование. 2009. 10. 202–210.
  19. Феськов С.В. К обоснованию рекроссинг-алгоритмов численного моделирования многоканальных электронных переходов в вырожденные состояния акцептора // Вычислительные методы и программирование. 2017. 18. 284–292.
  20. Nazarov A.E., Fedunov R.G., Ivanov A.I. Principals of simulation of ultrafast charge transfer in solution within the multichannel stochastic point-transition model // Comp. Phys. Comm. 2017. 210. 172–180.
  21. Stock G., Thoss M. Classical description of nonadiabatic quantum dynamics // Adv. Chem. Phys. 2005. 131. 243–375.
  22. Feskov S.V. The time-dependent j-flux method for stochastic simulations of multistage bimolecular photoinduced electron transfer within the extended integral encounter theory // AIP Conf. Proc. 2018. 2040. doi 10.1063/1.5079051.
  23. Marcus R.A., Sutin N. Electron transfers in chemistry and biology // Biochim. Biophys. Acta. 1985. 811, N 3. 265–322.
  24. Burshtein A.I. Unified theory of photochemical charge separation // Adv. Chem. Phys. 2000. 114. 419–587.
  25. Carslaw H.S., Jaeger J.C. Conduction of heat in solids. Oxford: Oxford University Press, 1986.
  26. Krissinel’ E.B., Agmon N. Spherical symmetric diffusion problem // J. Comput. Chem. 1996. 17, N 9. 1085–1098.
  27. Press W.H., Teukolsky S.A., Vetterling W.T., Flannery B.P. Numerical recipes: the art of scientific computing. Cambridge: Cambridge University Press, 2007.
  28. Gladkikh V., Burshtein A.I., Angulo G., et al. Kinetics and yields of electron transfer in the inverted region // J. Phys. Chem. A. 2004. 108, N 32. 6667–6678.
  29. Feskov S.V., Burshtein A.I. Double-channel photoionization followed by geminate charge recombination/separation // J. Phys. Chem. A. 2009. 113, N 48. 13528–13540.
Опубликован
2020-01-23
Как цитировать
Феськов, С., & Хохлова, С. (2020). Алгоритмы численного моделирования сверхбыстрого фотоиндуцированного межмолекулярного переноса заряда в жидкостях. Вычислительные методы и программирование, 21(63), 27-40. https://doi.org/10.26089/NumMet.v21r103
Раздел 1. Вычислительные методы и приложения

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)