ReaxFF

ReaxFF — потенциал для расчётов методом молекулярной динамики^[1][2][3].

ReaxFF разработан Адри ван Дуином (Adri van Duin), Уильямом Годдардом III-м (William A. Goddard, III) и др. из Калифорнийского технологического института. Это первый реакционноспособный потенциал, включающий в себя динамическое образование связей и поляризационные эффекты^[4]. Гибкость и переносимость силового поля позволяют использовать ReaxFF для описаниях многих систем. С точки зрения точности, при детальном сравнении ReaxFF с REBO и полуэмпирическим PM3, ван Дуином и др. было показано^[4], что результаты ReaxFF по углеводородам находятся в существенно лучшем согласии с расчётами, выполненными с использованием теории функционала электронной плотности.

В потенциале ReaxFF учитываются следующие вклады в энергию межатомного взаимодействия^[5]:

• двух-, трёх- и четырёхчастичные потенциалы, которые описывают ковалентные связи и зависят от вычисляемых по эмпирической формуле порядков связей;
• член, учитывающий валентность атомов;
• электростатический и дисперсионный вклады.

Важным преимуществом метода является его высокая переносимость, возможность описания различных материалов. Методика была применена для исследования окисления поверхностей^[6][7], восстановления оксида графена^[8], таутомеризации глицина в воде^[9], наноиндентации поверхностей^[10], роста наноструктур^[11], фазового перехода на наноуровне^[12], протонного переноса сквозь графен^[8] и т.д. Недостатком метода можно назвать его существенно большую требовательность к вычислительным ресурсам, по сравнению с другими потенциалами. Так, ReaxFF требует вычислительных ресурсов более чем на порядок больше чем REBO^[1].

Потенциал ReaxFF включён в ряд пакетов для моделирования на атомном уровне, таких как LAMMPS, ADF Modeling suite, PuReMD.

Примечания

1. Steven J. Plimpton, Aidan P. Thompson. Computational aspects of many-body potentials // MRS Bulletin. — 2012/05. — Т. 37, вып. 5. — С. 513–521. — ISSN 0883-7694 1938-1425, 0883-7694. — doi:10.1557/mrs.2012.96. Архивировано 13 апреля 2018 года.
2. Markus J. Buehler. 5.4.5. Hybrid ReaxFF Model: Integration of Chemistry and Mechanics // Atomistic Modeling of Materials Failure. — Springer Science+Business Media, 2008. — ISBN 978-0-387-76426-9.
3. A. Jaramillo-Botero, R. Nielsen, R. Abrol, J. Su, T. Pascal, J. Mueller and W. A. Goddard III. 3.2.1. The ReaxFF Force Field for Studying Reactive Processes // Multiscale Molecular Methods in Applied Chemistry / Ed.: Barbara Kirchner, Jadran Vrabec. — Springer-Verlag, 2012. — ISBN 978-3-642-24968-6.
4. Adri C. T. van Duin, Siddharth Dasgupta, Francois Lorant, William A. Goddard. ReaxFF:  A Reactive Force Field for Hydrocarbons // The Journal of Physical Chemistry A. — 2001-10-01. — Т. 105, вып. 41. — С. 9396–9409. — ISSN 1089-5639. — doi:10.1021/jp004368u.
5. Thomas P Senftle, Sungwook Hong, Md Mahbubul Islam, Sudhir B Kylasa, Yuanxia Zheng. The ReaxFF reactive force-field: development, applications and future directions (англ.) // npj Computational Materials. — 2016-03-04. — Т. 2, вып. 1. — ISSN 2057-3960. — doi:10.1038/npjcompumats.2015.11. Архивировано 11 мая 2017 года.
6. Donato Fantauzzi, Jochen Bandlow, Lehel Sabo, Jonathan E. Mueller, Adri C. T. van Duin. Development of a ReaxFF potential for Pt–O systems describing the energetics and dynamics of Pt-oxide formation (англ.) // Phys. Chem. Chem. Phys.. — 2014-10-09. — Vol. 16, iss. 42. — P. 23118–23133. — ISSN 1463-9084. — doi:10.1039/c4cp03111c.
7. Thomas P. Senftle, Randall J. Meyer, Michael J. Janik, Adri C. T. van Duin. Development of a ReaxFF potential for Pd/O and application to palladium oxide formation // The Journal of Chemical Physics. — 2013-07-25. — Т. 139, вып. 4. — С. 044109. — ISSN 0021-9606. — doi:10.1063/1.4815820. Архивировано 18 апреля 2022 года.
8. Akbar Bagri, Cecilia Mattevi, Muge Acik, Yves J. Chabal, Manish Chhowalla. Structural evolution during the reduction of chemically derived graphene oxide (англ.) // Nature Chemistry. — 2010/07. — Т. 2, вып. 7. — С. 581–587. — ISSN 1755-4349. — doi:10.1038/nchem.686. Архивировано 17 апреля 2019 года.
9. Obaidur Rahaman, Adri C. T. van Duin, William A. Goddard, Douglas J. Doren. Development of a ReaxFF Reactive Force Field for Glycine and Application to Solvent Effect and Tautomerization // The Journal of Physical Chemistry B. — 2011-01-20. — Т. 115, вып. 2. — С. 249–261. — ISSN 1520-6106. — doi:10.1021/jp108642r.
10. F. Tavazza, T. P. Senftle, C. Zou, C. A. Becker, A. C. T van Duin. Molecular Dynamics Investigation of the Effects of Tip–Substrate Interactions during Nanoindentation // The Journal of Physical Chemistry C. — 2015-06-18. — Т. 119, вып. 24. — С. 13580–13589. — ISSN 1932-7447. — doi:10.1021/acs.jpcc.5b01275.
11. E. C. Neyts. Defect Healing and Enhanced Nucleation of Carbon Nanotubes by Low-Energy Ion Bombardment // Physical Review Letters. — 2013. — Т. 110, вып. 6. — doi:10.1103/physrevlett.110.065501.
12. Yanqiu Sun, Alexander G. Kvashnin, Pavel B. Sorokin, Boris I. Yakobson, W. E. Billups. Radiation-Induced Nucleation of Diamond from Amorphous Carbon: Effect of Hydrogen // The Journal of Physical Chemistry Letters. — 2014-06-05. — Т. 5, вып. 11. — С. 1924–1928. — ISSN 1948-7185. — doi:10.1021/jz5007912.

Ссылки

• ReaxFF в пакете LAMMPS
• ReaxFF в пакете ADF Modeling suite
• ReaxFF в пакете PuReMD (Purdue Reactive MD) suite