Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5058
Main Title: Systematic coarse-graining procedures for molecular systems
Translated Title: Systematische Methoden zur Abstraktion molekularer Systeme
Author(s): Heinemann, Thomas
Advisor(s): Klapp, Sabine H. L.
Referee(s): Klapp, Sabine H. L.
Likos, Christos N.
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: In this thesis, we present two fundamental strategies to model systems comprising many molecules in a more abstract or coarse-grained manner. The goal is to reduce the number of the degrees of freedom for computing many-particle simulations of large systems over long time scales. A challenging feature of coarse-grained systems is implicitly including the dynamics of the microscopic degrees of freedom characterized by small length- and time-scales. In particular, the typical time scale of electronic wave functions is in the order of attoseconds, while for large molecules it is several femtoseconds. The first strategy illustrates the systematic abstraction of the atomic level of detail of a system consisting of two coronene molecules, which possess a discotic shape. We force a coarse-grained configuration in an equilibrium ensemble to occur equally frequently, regardless of the level of detail. This frequency directly leads to the effective potential between these molecules. For phase-space sampling at the atomic level, we use Langevin dynamics results with modifications based on umbrella sampling or steered dynamics techniques. We treat the complex electrostatics of these molecules - which is essential for the molecular orientation in the crystalline phase - separately from the main coarse-graining procedure. To fit our temperature and angle-dependent effective molecule-molecule potential, we use several models with a different number of parameters. We additionally investigate the applicability of these models through molecular dynamics simulations in systems with constant temperature and mostly constant pressure. We also consider the structure and melting behavior of the system in the isotropic and condensed phases. We conclude that a model with an extended charge distribution is required, particularly to reproduce the correct temperature. In our second strategy, we introduce a model for the interaction in two dimensions, where the electrostatics is approximated through a linear point quadrupole. For this purpose, we consider monodisperse systems of purely repulsive ellipses with different aspect ratios and an embedded linear point quadrupole along one main axis. Using molecular dynamics simulations, we examine the partly quite complex structure of the systems and their melting temperatures at a constant pressure. We deduce that the crystalline phases of the molecules with high eccentricity melt at higher temperatures than crystalline phases of more isotropically-shaped molecules. We also discuss the applicability of our results to systems with different parameter settings. In principle, both strategies presented here can be applied at various orders of magnitude. Further possible fields of application are colloidal systems or even cosmic objects, provided relativistic effects are considered.
In dieser Arbeit führen wir zwei grundlegende Strategien ein, um Systeme aus vielen Molekülen auf abstrakter Ebene zu modellieren, sodass Vielteilchensimulationen von großen Systemen und Zeiträumen numerisch realisierbar werden. Einen schwierigen Aspekt stellt hierbei die Abstraktion der Dynamik mikroskopischer Freiheitsgrade dar, welche auf kleineren Längen- und Zeitskalen abläuft. Anzuführen sei, dass die typische Zeitskala von elektronischen Wellenfunktionen im Bereich von Attosekunden liegt; bei größeren Molekülen liegt sie hingegen bei einigen Femtosekunden. Die erste Strategie zeigt beispielhaft eine systematische Abstraktion der atomistischen Detailebene eines Systems aus zwei Coronenmolekülen, die eine scheibenförmige Geometrie aufweisen. Die jeweilige Häufigkeit einer abstrakten Konfiguration in einem Gleichgewichtsensemble, welche die Grundlage zur Berechnung des effektiven Potentials zwischen den Molekülen bildet, forcieren wir als Erhaltungsgröße beim Wechsel der Detailebenen. Für das Phasenraum-Sampling auf atomistischer Detailebene nutzen wir Langevin-Dynamics-Resultate, wobei Modifizierungen, basierend auf Umbrella-Sampling- und Steered-Dynamics-Techniken, benutzt wurden. Die relativ komplexe Elektrostatik dieser Moleküle, die für die Orientierung der Moleküle in der kristallinen Phase notwendig ist, behandeln wir indessen gesondert. An das temperatur- und winkelabhängige effektive Molekül-Molekül-Potential nähern wir mehrere Modelle mit verschieden großer Anzahl an Parametern an. Die Anwendbarkeit unserer Modelle untersuchen wir mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen bei konstanter Temperatur und gegebenfalls konstantem Druck. Dabei betrachten wir das System in isotroper als auch kondensierter Phase hinsichtlich Struktur und Schmelzverhalten. Insbesondere für die Reproduktion der Schmelztemperatur schlussfolgern wir, dass ein Modell mit ausgedehnter Ladungsverteilung erforderlich ist. In der zweiten Strategie führen wir ein abstraktes Modell für die Wechselwirkung von anisotropen Molekülen in zwei Dimensionen ein, deren Elektrostatik näherungsweise durch einen linearen Quadrupol beschrieben werden kann. Dazu betrachten wir einkomponentige Systeme aus rein repulsiven Ellipsen mit unterschiedlichen Seitenverhältnissen und festem eingebetteten linearen Quadrupol entlang einer Hauptachse. Mittels Molekulardynamik-Simulationen analysieren wir für verschiedene Temperaturen bei konstantem Druck die teils sehr vielfältige Struktur der Systeme sowie das Schmelzverhalten. Die kristallinen Phasen aus Molekülen mit hoher Exzentrizität zeigen demnach bei einer Temperaturerhöhung gegenüber isotrop-geformten Molekülen gleicher Größe ein stark retardiertes Schmelzverhalten. Des Weiteren diskutieren wir die Anwendbarkeit dieser Resultate auf Systeme mit anderen Parametersätzen. Prinzipiell können diese Strategien auf beliebige Größenordnungen (wie zum Beispiel kolloidale Systeme) angewandt werden. Unter Berücksichtigung relativistischer Effekte ist bedingt sogar eine Anwendung auf kosmische Objekte möglich.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5383
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5058
Exam Date: 2-Mar-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 22-Mar-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
Subject(s): coarse-graining
statistical physics
computational physics
effective potentials
anisotropic molecules
Vergröberungsstrategien
statistische Physik
computerorientierte Physik
effektive Potentiale
anisotrope Moleküle
Sponsor/Funder: DFG, SFB 951, Hybrid Inorganic/Organic Systems (HIOS) for Opto-Electronics
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 2 Mathematik und Naturwissenschaften » Institut für Theoretische Physik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
heinemann_thomas.pdf8,27 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.