Неравновесные системы

Релаксация дефектов в твердых телах. ММД получил широкое применение при исследовании различных дефектов в твердых телах. [1] Наряду с равновесными конфигурациями значительное внимание уделялось процессам образования и релаксации дефектов. Моделировалось радиационное повреждение кристаллов в результате каскада атомных столкновений, инициированного быстрой частицей и приводящего к образованию большого числа вакансий и межузельных атомов. ММД позволил проследить атомные перестройки при рекомбинации вакансии и межузельного атома и определить то критическое расстояние между ними, когда начинается процесс их спонтанного сближения. Исследовалась также реакция взаимодействия примесей с точечными дефектами. Были предприняты также попытки смоделировать процессы миграции точечных дефектов в кристаллах и вдоль дислокаций. Наряду с кристаллами исследовались дефекты в структуре аморфных металлов (стекол). Обнаружено, что повышение концентрации дефектов приводит к укорочению времени жизни стекла и его релаксации в кристаллическое со-стояние[2].

Структура фронта сильных ударных волн. ММД был использован для моделирования крайне неравновесных процессов — ударного сжатия в жидкости и твердом теле (аргоне) [3, 4]. Вначале система приводилась в равновесие. Затем для создания ударной волны слой частиц, находящийся в торце счетной ячейки, начинал принудительно двигаться с заданной скоростью (1—3 км/с) в перпендикулярном направлении, В счетной ячейке формировались три области: несжатого и сжатого вещества, а между ними переходная область фронта ударной волны. После некоторого переходного периода процесс становился стационарным и для него были подучены следующие результаты с помощью специально разработанного метода усреднения но перемещаемому слою с повторением этой процедуры по мере движения фронта.

Определена ширина скачка уплотнения (10—15 А). Градиенты достигают 1016 К/см и переход вещества в сжатое и нагретое состояния происходит за времена, сравнимые с временем поступательной релаксации. Поэтому продольная хаотическая кинетическая энергия частиц растет быстрее, чем поперечная, и проходит через максимум. Функция распределения атомов по скоростям отличается от максвелловской. Существует зона, где продольные средние расстояния между атомами меньше поперечных. Проведенные расчеты показали, что использование уравнений механики сплошной среды в этом случае неправомочно.

Отметим еще два интересных результата, полученных В. Ю. Клименко с помощью ММД, Во-первых, моделировалось прохождение ударной волны через неоднородную по плотности жидкость. Флуктуация плотности создавалась путем изъятия нескольких десятков близко расположенных атомов: таким образом, образовывалось локальное понижение плотности.

Было обнаружено, что флуктуация понижения плотности вызывала после прохождения ударной волны флуктуацию заметного повышения температуры, распространяющуюся на объем, больший объема начальной флуктуации плотности.

Во-вторых, было отмечено превышение неравновесной функции распределения электронов по скоростям во фронте ударной волны над максвелловской в области хвоста функции распределения. Оба эффекта — избыточные надтепловые электроны и флуктуации повышения температуры в месте первичных флуктуации разрежения плотности — стимулируют активационные процессы во фронте ударной волны.

Химические реакции. Расчеты сечений реакций на основе численного моделирования ньютоновских уравнений движения получили широкое распространение в химической кинетике под названием метода классических траекторий. Этим методом исследуются элементарные процессы с участием тяжелых частиц: реакции обмена, рекомбинации и диссоциации, мономолекулярный распад, процессы межмолекулярной передачи и внутримолекулярной релаксации энергии, например рандомизации селективного возбуждения, колебательной релаксации и др. Наряду с простейшими двухатомными рассматриваются и многоатомные молекулы. Основные принципиальные трудности заключаются в определении потенциальной энергии как функции координат, адекватной моделируемому элементарному процессу. Начальные условия для частиц выбираются с помощью метода Монте-Карло. Скорости реакций находятся усреднением результатов, полученных ММД для достаточного набора начальных условий. Таким образом, метод позволяет получать результаты как для термических реакций, так и для неравновесных процессов.

ММД применяется для описания адиабатических процессов, когда взаимодействия между исходными компонентами реакции и между ее продуктами описываются одной и той же потенциальной поверхностью. Для описания неадиабатических процессов, электродного возбуждения молекул переход с одной потенциальной поверхности на другую надо рассчитывать квантовомеханически. Применение ММД для таких реакций сохраняет смысл, лишь если область неадиабатичности существенно меньше всего фазового объема реакции.

Предприняты попытки расчета ММД химических реакций в жидкостях и на поверхности [4, 6]. Основной проблемой в этих расчетах является учет взаимодействия реагирующих атомов с окружением. Эти взаимодействия учитываются как непосредственным суммированием, так и эффективно, путем введения в уравнения движения реагирующих атомов дополнительных, ланжевеновских слагаемых. Эти слагаемые моделировали влияние колебательного движения окружающих атомов.