Численное моделирование многостадийных бимолекулярных фотореакций в жидкости: алгоритмы и программные средства
Автор: Феськов Сергей Владимирович
Журнал: Математическая физика и компьютерное моделирование @mpcm-jvolsu
Рубрика: Физика и астрономия
Статья в выпуске: 1 т.24, 2021 года.
Бесплатный доступ
В работе рассмотрены инструменты численного моделирования многостадийных бимолекулярных фотореакций, обусловленных диффузионной подвижностью молекул-реагентов в вязких растворах. Для описания этих процессов использован аппарат дифференциальной теории встреч (differential encounter theory, DET), расширенной для учета когерентной динамики отдельных степеней свободы (например, электронных спинов реагентов и интермедиатов). Модель включает в себя диффузию реагентов в среде и многостадийные / многоканальные физико-химические процессы, протекающие как в отдельных молекулах, так и столкновительных комплексах. Предложены методы численного решения модельных уравнений, связанных с расчетом эволюционных операторов. Подробно представлен алгоритм вычисления квантового пропагатора для матрицы плотности на основе расщепления Троттера. Разработан программный пакет, ориентированный на численное моделирование многостадийных фотореакций в рамках предложенных подходов. Представлена структура основных компонентов пакета, приведены примеры их использования для построения программной модели реакции. Проведено тестирование, показавшее соответствие численных результатов и точных решений модельных уравнений в частных случаях. На примере фотореакции с участием 9,10-диметилантрацена и 1,3-дицианобензола в растворе ацетонитрила показаны основные процедуры конфигурирования и численного исследования многостадийных бимолекулярных фотопроцессов. Показана важность учета когерентной эволюции электронных спинов реагентов на радикальной стадии реакции.
Вычислительная химия, численные методы, программное обеспечение, расщепление троттера, бимолекулярные реакции, фотохимия, когерентная динамика
Короткий адрес: https://sciup.org/149138018
IDR: 149138018 | УДК: 519.688 | DOI: 10.15688/mpcm.jvolsu.2021.1.4
Numerical simulation of multistage bimolecular photoreactions in liquids: algorithms and software
The paper considers tools for numerical simulation of multistage bimolecular photoreactions assisted by diffusive mobility of reactant molecules in viscous solutions. To describe these processes, the differential encounter theory (DET) is extended to account for the coherent dynamics of certain degrees of freedom (for example, electronic spins of reactants and intermediates). The model involves diffusion of reactants in solution and multistage / multichannel physicochemical processes proceeding both at the level of individual molecules and encounter complexes. Algorithms for numerical solution of model equations are proposed, which are related to the evaluation of evolution operators. An algorithm for computing the quantum propagator for the density matrix based on the Trotter splitting is presented. A software package for simulation of multistage photoreactions has been developed using the suggested numerical approaches. The author presents a structure of key software components and examples of the program model construction. A software testing has been carried out, showing good correspondence between the numerical results and exact solutions of the model equations in certain particular cases. As an example, a photoreaction with participation of 9.10-dimethylanthracene and 1.3-dicyanobenzene in the acetonitrile solution has been considered, and basic procedures for configuring and simulating multistage bimolecular photoprocesses are shown. The importance of coherent description of the electronic spin evolution at the radical stage is shown.
Список литературы Численное моделирование многостадийных бимолекулярных фотореакций в жидкости: алгоритмы и программные средства
- Вотэ, Э. Объединение теории и эксперимента для понимания процесса сверхбыстрого фотоиндуцированного переноса заряда [На англ.] / Э. Вотэ // Математическая физика и компьютерное моделирование. — 2020. — Т. 23, № 2. — C. 91-99. — DOI: 10.15688/mpcm.jvolsu.2020.2.8.
- Феськов, С. В. Алгоритмы численного моделирования сверхбыстрого фотоиндуцированного межмолекулярного переноса заряда в жидкостях / С. В. Феськов, С. С. Хохлова // Вычислительные методы и программирование. — 2020. — Т. 21. — C. 27-40. — DOI: 10.26089/NumMet.v21r103.
- Allen, M. P. Computer Simulation of Liquids / M. P. Allen, D. J. Tildesley. — New York : Clarendon Press, 1989. — 408 p.
- Burshtein, A. I. Non-Markovian theories of transfer reactions in luminescence and chemiluminescence and photo- and electrochemistry / A. I. Burshtein // Adv. Chem. Phys. — 2004. — Vol. 129. — P. 105-418. — DOI: 10.1002/047168077X.ch3.
- Burshtein, A. I. Unified theory of photochemical charge separation / A. I. Burshtein // Adv. Chem. Phys. — 2000. — Vol. 114. — P. 419-587. — DOI: 10.1002/9780470141731.ch6.
- Feskov, S. V. Double-channel photoionization followed by geminate charge recombination/Separation / S. V. Feskov, A. I. Burshtein // J. Phys. Chem. A. — 2009. — Vol. 113. — P. 13528-13540. — DOI: 10.1021/jp901863t.
- Feskov, S. V. Kinetics of nonequilibrium electron transfer in photoexcited ruthenium(II)-cobalt(III) complexes / S. V. Feskov, A. O. Kichigina, A. I. Ivanov // J. Phys. Chem. A. — 2011. — Vol. 115. — P. 1462-1471. — DOI: 10.1021/jp108607t.
- Feskov, S. V. Non-equilibrium effects in ultrafast photoinduced charge transfer kinetics / S. V. Feskov, V. A. Mikhailova, A. I. Ivanov // J. Photochem. Photobiol. C. — 2016. — Vol. 29. — P. 48-72. — DOI: 10.1016/j.jphotochemrev.2016.11.001.
- Hot recombination of photogenerated ion pairs / V. Gladkikh, A. I. Burshtein, S. V. Feskov, A. I. Ivanov, E. Vauthey // J. Chem. Phys. — 2005. — Vol. 123. — P. 244510. — DOI: 10.1063/1.2140279.
- Ionkin, V. N. Numerical simulations of ultrafast charge separation dynamics from second excited state of directly linked zinc-porphyrin-imide dyads and ensuing hot charge recombination into the first excited state / V. N. Ionkin, A. I. Ivanov // J. Phys. Chem. A. — 2009. — Vol. 113. — P. 103-107. — DOI: 10.1021/jp806589m.
- Krissinel', E. B. Spherical symmetric diffusion problem / E. B. Krissinel', N. Agmon // J. Comput. Chem. — 1996. — Vol. 17. — P. 1085-1098. — DOI: 10.1002/(SICI)1096-987X(19960715)17:9-1085::AID-JCC1-3.0.CO;2-O.
- Kumpulainen, T. Ultrafast elementary photochemical processes of organic molecules in liquid solution / T. Kumpulainen, B. Lang, E. Vauthey // Chem. Rev. — 2017. — Vol. 117. — P. 10826-10939. — DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00491.
- Magnetic field effect on ion pair dynamics upon bimolecular photoinduced electron transfer in solution / S. V. Feskov, M. V. Rogozina, A. I. Ivanov, A. Aster, M. Koch, E. Vauthey // J. Chem. Phys. - 2019. - Vol. 150, № 2. - P. 024501. - DOI: 10.1063/1.5064802.
- Martin, C. Ultrafast and fast charge separation processes in real dye-sensitized solar cells / C. Martin, M. Ziolek, A. Douhal // J. Photochem. Photobiol. C. - 2016. - Vol. 26. -P. 1-30. - DOI: 10.1016/j.jphotochemrev.2015.12.001.
- Pines, E. Geminate recombination in excited state proton transfer reactions: Numerical solution of the Debye - Smoluchowski equation with backreaction and comparison with experimental results / E. Pines, D. Huppert, E. Agmon // J. Chem. Phys. - 1988. -Vol. 88. - P. 5620-5630. - DOI: 10.1063/1.454572.
- Potovoi, V. V. Theory of non-thermal electron transfer / V. V. Potovoi, A. I. Ivanov // Chem. Phys. - 1999. - Vol. 247. - P. 245-259. - DOI: 10.1016/S0301-0104(99)00197-4.
- Rosspeintner, A. Ultrafast photochemistry in liquids / A. Rosspeintner, B. Lang, E. Vauthey // Annu. Rev. Phys. Chem. - 2013. - Vol. 64. - P. 247-271. - DOI: 10.1146/annurev-physchem-040412-110146.
- Spin Polarization and Magnetic Effect in Radical Reactions / K. M. Salikhov, Yu. N. Molin, R. Z. Sagdeev, A. L. Buchachenko. - Amsterdam : Elsevier, 1984. - 419 p.
- Zusman, L. D. Outer-sphere electron transfer in polar solvents / L. D. Zusman // Chem. Phys. - 1980. - Vol. 49, № 2. - P. 295-304. - DOI: 10.1016/0301-0104(80)85267-0.
