DOI: https://doi.org/10.26089/NumMet.v21r103

Алгоритмы численного моделирования сверхбыстрого фотоиндуцированного межмолекулярного переноса заряда в жидкостях

Авторы

  • С.В. Феськов
  • С.С. Хохлова

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.

Новые вычислительные технологии

Загрузки

Опубликован

2020-01-23

Выпуск

Том 21 (2020): Выпуск 1.

Раздел

Раздел 1. Вычислительные методы и приложения

Авторы

С.В. Феськов

Волгоградский государственный университет,
Институт математики и информационных технологий
Университетский проспект, 100, 400062, Волгоград
• профессор

С.С. Хохлова

Волгоградский государственный университет,
Институт математики и информационных технологий
Университетский проспект, 100, 400062, Волгоград
• доцент

Библиографические ссылки

  1. M. P. Allen and D. J. Tildesley, Computer Simulation of Liquids (Oxford Univ. Press, New York, 1991).
  2. N. G. Van Kampen, Stochastic Processes in Physics and Chemistry (Elsevier, Amsterdam, 2007).
  3. D. P. Landau and K. Binder, A Guide to Monte Carlo Simulations in Statistical Physics (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2009).
  4. A. A. Zharikov and A. I. Burshtein, “Nonlocal Ionization in Encounter Theory,” J. Chem. Phys. 93 (8), 5573-5579 (1990).
  5. S. V. Feskov, A. I. Ivanov, and A. I. Burshtein, “Integral Encounter Theory of Strong Electron Transfer,” J. Chem. Phys. 122 (2005).
    doi 10.1063/1.1871935
  6. A. Rosspeintner, B. Lang, and E. Vauthey, “Ultrafast Photochemistry in Liquids,” Annu. Rev. Phys. Chem. 64, 247-271 (2013).
  7. T. Kumpulainen, B. Lang, A. Rosspeintner, and E. Vauthey, “Ultrafast Elementary Photochemical Processes of Organic Molecules in Liquid Solution,” Chem. Rev. 117 (16), 10826-10939 (2017).
  8. L. D. Zusman, “Outer-Sphere Electron Transfer in Polar Solvents,” Chem. Phys. 49 (2), 295-304 (1980).
  9. S. V. Feskov, V. A. Mikhailova, and A. I. Ivanov, “Non-Equilibrium Effects in Ultrafast Photoinduced Charge Transfer Kinetics,” J. Photochem. Photobiol. C. 29, 48-72 (2016).
  10. J. Sung and S. Lee, “Relations among the Modern Theories of Diffusion-Influenced Reactions. II. Reduced Distribution Function Theory Versus Modified Integral Encounter Theory,” J. Chem. Phys. 112 (5), 2128-2138 (2000).
  11. K. L. Ivanov, N. N. Lukzen, A. B. Doktorov, and A. I. Burshtein, “Integral Encounter Theories of Multistage Reactions. I. Kinetic Equations,” J. Chem. Phys. 114 (4), 1754-1762 (2001).
  12. K. L. Ivanov, N. N. Lukzen, V. A. Morozov, and A. B. Doktorov, “Integral Encounter Theories of Multistage Reactions. IV. Account of Internal Quantum States of Reactants,” J. Chem. Phys. 117 (20), 9413-9422 (2002).
  13. A. I. Burshtein, “Non-Markovian Theories of Transfer Reactions in Luminescence and Chemiluminescence and Photo- and Electrochemistry,” Adv. Chem. Phys. 129, 105-418 (2004).
  14. V. Gladkikh, A. I. Burshtein, S. V. Feskov, et al., “Hot Recombination of Photogenerated Ion Pairs,” J. Chem. Phys. 123 (2005).
    doi 10.1063/1.2140279
  15. S. V. Feskov, M. V. Rogozina, A. I. Ivanov, et al., “Magnetic Field Effect on Ion Pair Dynamics upon Bimolecular Photoinduced Electron Transfer in Solution,” J. Chem. Phys. 150 (2019)
    doi 10.1063/1.5064802
  16. J. Jortner and M. Bixon, “Intramolecular Vibrational Excitations Accompanying Solvent-Controlled Electron Transfer Reactions,” J. Chem. Phys. 88 (1), 167-170 (1988).
  17. S. V. Feskov and A. I. Ivanov, “Solvent-Assisted Multistage Nonequilibrium Electron Transfer in Rigid Supramolecular Systems: Diabatic Free Energy Surfaces and Algorithms for Numerical Simulations,” J. Chem. Phys. 148 (2018).
    doi 10.1063/1.5016438
  18. S. V. Feskov, “Brownian Simulation of Electron Transfer Dynamics,” Vychisl. Metody Programm. 10, 202-210 (2009).
  19. S. V. Feskov, “Validation of the Recrossing-Algorithms for the Numerical Simulations of Multichannel Electronic Transitions to the Degenerate States of an Acceptor,” Vychisl. Metody Programm. 18, 284-292 (2017).
  20. A. E. Nazarov, R. G. Fedunov, and A. I. Ivanov, “Principals of Simulation of Ultrafast Charge Transfer in Solution within the Multichannel Stochastic Point-Transition Model,” Comput. Phys. Commun. 210, 172-180 (2017).
  21. G. Stock and M. Thoss, “Classical Description of Nonadiabatic Quantum Dynamics,” Adv. Chem. Phys. 131, 243-375 (2005).
  22. S. Feskov, “The Time-Dependent j-Flux Method for Stochastic Simulations of Multistage Bimolecular Photoinduced Electron Transfer within the Extended Integral Encounter Theory,” AIP Conf. Proc. 2040 (2018).
    doi 10.1063/1.5079051
  23. R. A. Marcus and N. Sutin, “Electron Transfers in Chemistry and Biology,” Biochim. Biophys. Acta 811 (3), 265-322 (1985).
  24. A. I. Burshtein, “Unified Theory of Photochemical Charge Separation,” Adv. Chem. Phys. 114, 419-587 (2000).
  25. H. S. Carslaw and J. C. Jaeger, Conduction of Heat in Solids (Oxford Univ. Press, New York, 1986).
  26. E. V. Krissinel’ and N. Agmon, “Spherical Symmetric Diffusion Problem,” J. Comput. Chem. 17 (9), 1085-1098 (1996).
  27. W. H. Press, S. A. Teukolsky, W. T. Vetterling, and B. P. Flannery, Numerical Recipes: The Art of Scientific Computing (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2007).
  28. V. Gladkikh, A. I. Burshtein, G. Angulo, et al., “Kinetics and Yields of Electron Transfer in the Inverted Region,” J. Phys. Chem. A 108 (32), 6667-6678 (2004).
  29. S. V. Feskov and A. I. Burshtein, “Double-Channel Photoionization Followed by Geminate Charge Recombination/Separation,” J. Phys. Chem. A 113 (48), 13528-13540 (2009).