All issues

Статья посвящена преимуществам применения гибридных вычислительных систем на основе графических процессоров NVIDIA для решения задач моделирования молекулярной динамики, квантовой химии, секвенирования, приведены примеры приложений.

Modern GPUs are massively-parallel processors, offering substantial amount of computational power in energy-efficient package. We discuss the benefits of utilizing this computing power for modeling problems in bio-informatics, such as molecular dynamics, quantum chemistry and sequence analysis.

Белок-белковые взаимодействия являются основой большинства биологических процессов. Компьютерное моделирование динамики связывания белков дает важную информацию для понимания механизмов их функционирования. Разработана компьютерная программа ProKSim (Protein Kinetics Simulator), предназначенная для моделирования взаимодействия макромолекул методом многочастичной броуновской динамики с учетом дальнодействующих электростатических взаимодействий. Проведено исследование диффузионно-столкновительных комплексов для трех пар белков: ферредоксин и ферредоксин:НАДФ⁺-редуктаза, пластоцианин и цитохром f, барназа и барстар. Исследована роль электростатических взаимодействий во взаимной ориентации молекул белков при образовании диффузионно-столкновительных комплексов.

Protein-protein interactions are of central importance for virtually every process in living matter. Modeling the dynamics of protein association is crucial for understanding their functionality. This paper proposes novel simulation software ProKSim (Protein Kinetics Simulator) for modeling of protein interactions by means of the multi-particle Brownian Dynamics. Effect of long-range electrostatic interactions on the process of transient encounter complex formation is numerically estimated. Investigation of transient encounter complex formation was performed for three pairs of proteins: ferredoxin and ferredoxin:NADP⁺-redustase, plastocyanin and cytochrome f, barnase and barstar.

Построены модели жидкого гептана и циклогексана, макроскопические свойства которых соотвествуют таковым реальных растворителей. Спектры рассеяния рентгеновского излучения модельных систем также хорошо соотносятся с экспериментальными спектрами. Анализ радиальных функций распределения позволило установить принципиальную особенность молекулярного строения жидкого циклогексана. Изометричные молекулы циклогексана упакованы более плотно и упорядоченно. Более того, плотная упаковка приводит к дефициту свободного объема, что объясняет повышенную вязкость и температуру плавления циклогексана.

The models of liquid heptane and cyclohexane has been developed. The properties of model liquids appear to be in a good agreement with a properties of real liquids. X-Ray diffraction spectra of model liquids were also in a good agreement with experimental ones. Radial distribution functions analysis allows us to reveal a crucial molecular feature of cyclohexane. Isometric molecules of cyclohexane are packed more tightly and regular. Tight packing lead to the free volume deficiency, which could explain increased viscosity and melting temperature of cyclohexane.

В работе проведено исследование структуры ударной волны в бинарной газовой смеси на основе прямого решения кинетического уравнения Больцмана. Для вычисления интеграла столкновений в кинетическом уравнении используется консервативный проекционный метод. Детально описаны применяемые расчетные формулы и методика вычислений. В качестве потенциала взаимодействия молекул используется модель твердых сфер. Численное моделирование проводится с использованием разработанной программно-моделирующей среды, которая позволяет исследовать стационарные и нестационарные течения газовых смесей в различных режимах и для произвольной геометрии задачи. Моделирование выполняется на системе кластерной архитектуры. За счет использования технологий распараллеливания кода достигается значительное ускорение вычислений. С фиксированной точностью, контролируемой параметрами моделирования, получены распределения макроскопических величин компонентов смеси по фронту ударной волны. Расчеты выполнены для различных соотношений молекулярных масс и чисел Маха. Достигнута общая точность моделирования не менее 1% по локальным значениям концентрации и температуры и 3% по ширине фронта ударной волны. Проведено сравнение полученных результатов с существующими расчетными данными. Представленные в данной работе результаты имеют теоретическое значение, а также могут служить в качестве тестового расчета, поскольку они получены с использованием точного уравнения Больцмана.

In this paper, the structure of a shock wave in a binary gas mixture is studied on the basis of direct solution of the Boltzmann kinetic equation. The conservative projection method is used to evaluate the collision integral in the kinetic equation. The applied evaluation formulas and numerical methods are described in detail. The model of hard spheres is used as an interaction potential of molecules. Numerical simulation is performed using the developed simulation environment software, which makes it possible to study both steady and non-steady flows of gas mixtures in various flow regimes and for an arbitrary geometry of the problem. Modeling is performed on a cluster architecture. Due to the use of code parallelization technologies, a significant acceleration of computations is achieved. With a fixed accuracy controlled by the simulation parameters, the distributions of macroscopic characteristics of the mixture components through the shock wave front were obtained. Computations were conducted for various ratios of molecular masses and Mach numbers. The total accuracy of at least 1% for the local values of molecular density and temperature and 3% for the shock front width was achieved. The obtained results were compared with existing computation data. The results presented in this paper are of theoretical significance, and can serve as a test computation, since they are obtained using the exact Boltzmann equation.

В различных областях науки, техники, защиты окружающей среды, в строительстве актуальными являются вопросы изучения процессов взаимодействия пористых материалов с веществами, находящимися в различных агрегатных состояниях. Особенно актуальными с точки зрения экологии и защиты окружающей среды являются исследования процессов взаимодействия пористых материалов с водой в жидкой и газообразной фазе. Поскольку в одном моле воды содержится 6.022140857 · 10²³ молекул H₂O, для описания свойств, например, водяного пара в поре в основном используются макроскопические подходы, рассматривающие водяной пар как сплошную среду в рамках аэродинамики. В данной работе построена и использовалась для моделирования макроскопическая двумерная диффузионная модель [Bitsadze, Kalinichenko, 1980] поведения водяного пара внутри изолированной поры. Наряду с макроскопической моделью в работе предложена микроскопическая модель поведения водяного пара внутри изолированной поры, построенная в рамках молекулярно-динамического подхода [Gould et al., 2005]. В данной модели на основе классической механики Ньютона описывается движение каждой молекулы воды, взаимодействующей как с другими молекулами воды, так и со стенками поры. Рассматривается эволюция системы «водяной пар – пора» с течением времени. В зависимости от внешних по отношению к поре условий система эволюционирует к различным состояниям равновесия, которые характеризуются различными значениями макроскопических характеристик, таких как температура, плотность, давление. Сравнение результатов молекулярно-динамического моделирования с результатами вычислений на основе макроскопической диффузионной модели и экспериментальными данными позволяет сделать вывод о необходимости сочетания макроскопического и микроскопического подхода для адекватного и более точного описания процессов взаимодействия водяного пара с пористыми материалами.

In various areas of science, technology, environment protection, construction, it is very important to study processes of porous materials interaction with different substances in different aggregation states. From the point of view of ecology and environmental protection it is particularly actual to investigate processes of porous materials interaction with water in liquid and gaseous phases. Since one mole of water contains 6.022140857 · 10²³ molecules of H₂O, macroscopic approaches considering the water vapor as continuum media in the framework of classical aerodynamics are mainly used to describe properties, for example properties of water vapor in the pore. In this paper we construct and use for simulation the macroscopic two-dimensional diffusion model [Bitsadze, Kalinichenko, 1980] describing the behavior of water vapor inside the isolated pore. Together with the macroscopic model it is proposed microscopic model of the behavior of water vapor inside the isolated pores. This microscopic model is built within the molecular dynamics approach [Gould et al., 2005]. In the microscopic model a description of each water molecule motion is based on Newton classical mechanics considering interactions with other molecules and pore walls. Time evolution of “water vapor – pore” system is explored. Depending on the external to the pore conditions the system evolves to various states of equilibrium, characterized by different values of the macroscopic characteristics such as temperature, density, pressure. Comparisons of results of molecular dynamic simulations with the results of calculations based on the macroscopic diffusion model and experimental data allow to conclude that the combination of macroscopic and microscopic approach could produce more adequate and more accurate description of processes of water vapor interaction with porous materials.

В работе проводятся моделирование смеси газов в многокаскадном микронасосе и оценка его эффективности при разделении компонентов смеси. Рассматривается устройство в виде протяженного канала с последовательностью поперечно расположенных пластин, различие температур сторон которых приводит к радиометрическому течению газа внутри. Скорость течения газов зависит от их масс, что приводит к разделению смеси. Моделирование основывается на численном решении кинетического уравнения Больцмана, для чего используется схема расщепления, при которой поочередно осуществляются решения уравнений переноса и задач релаксации. Вычисление интеграла столкновений осуществляется с помощью консервативного проекционного метода, при использовании которого строго выполняются законы сохранения массы, импульса и энергии, и важное асимптотическое свойство — равенство интеграла от максвелловской функции нулю. Для решения уравнения переноса используются явная разностная схема первого порядка точности и TVD-схема второго порядка. Расчеты проводятся для смеси неона и аргона в модели твердых сфер с реальным отношением молекулярных диаметров и масс. Разработана программно-моделирующая среда, которая позволяет проводить расчеты как на персональных компьютерах, так и на многопроцессорных кластерах. Использование распараллеливания приводит к ускорению вычислений относительно последовательной версии и постоянству времени одной итерации для устройств разных размеров, что позволило моделировать системы с большим числом пластин. Подобраны геометрические размеры устройства, при которых разделения смеси оказывается наибольшим. Обнаружено, что величина разделения смеси, то есть отношение концентраций на концах устройства линейно зависит от числа каскадов в устройстве, что дает возможность оценить разделение для многокаскадных систем, компьютерное моделирование которых невозможно. Построены изображения и проведен анализ течений и распределений концентраций газов внутри устройства во время его работы. Показано, что устройства такого вида при достаточно большом числе пластин подходят для разделения газовых смесей, притом что они не имеют движущихся частей и, соответственно, достаточно просты в изготовлении и мало подвержены износу.

The paper simulates a mixture of gases in a multi-stage micro-pump and evaluates its effectiveness at separating the components of the mixture. A device in the form of a long channel with a series of transverse plates is considered. A temperature difference between the sides of the plates induces a radiometric gas flow within the device, and the differences in masses of the gases lead to differences in flow velocities and to the separation of the mixture. Modeling is based on the numerical solution of the Boltzmann kinetic equation, for which a splitting scheme is used, i. e., the advection equation and the relaxation problem are solved separately in alternation. The calculation of the collision integral is performed using the conservative projection method. This method ensures the strict fulfillment of the laws of conservation of mass, momentum, and energy, as well as the important asymptotic property of the equality of the integral of the Maxwell function to zero. Explicit first-order and second-order TVD-schemes are used to solve the advection equation. The calculations were performed for a neon-argon mixture using a model of solid spheres with real molecular diameters and masses. Software has been developed to allow calculations on personal computers and cluster systems. The use of parallelization leads to faster computation and constant time per iteration for devices of different sizes, enabling the modeling of large particle systems. It was found that the value of mixture separation, i. e. the ratio of densities at the ends of the device linearly depends on the number of cascades in the device, which makes it possible to estimate separation for multicascade systems, computer modeling of which is impossible. Flows and distributions of gas inside the device during its operation were analyzed. It was demonstrated that devices of this kind with a sufficiently large number of plates are suitable for the separation of gas mixtures, given that they have no moving parts and are quite simple in manufacture and less subject to wear.

В статье исследуется возможность обнаружения следов опасных веществ (взрывчатых и наркотических) на основе детекции их паров в воздухе. Актуальность работы обусловлена задачами противодействия террористическим угрозам и наркотрафику, где критически важно определять даже следовые количества веществ. Основное внимание уделено математическому моделированию испарения тонкого слоя вещества с поверхности, основанному на молекулярно-кинетической теории. Предложена универсальная модель, учитывающая физико-химические свойства веществ, температуру окружающей среды, адгезию к поверхности и начальную массу слоя. На основе уравнений Герца – Кнудсена – Ленгмюра и Клаузиуса – Клапейрона получены аналитические выражения для времени полного испарения, предельной массы паров и динамики процесса. Выявлен безразмерный параметр $\gamma$, определяющий предельные условия испарения. Показано, что адгезия вещества (коэффициент $\alpha$) влияет на скорость испарения, но не на конечную массу паров. Проведены расчеты для шести модельных веществ (TNT, RDX, PETN, амфетамин, кокаин, героин) с широким диапазоном свойств. Установлено, что при комнатной температуре и поверхностной концентрации 100 нг/см2 большинство веществ испаряются полностью, за исключением RDX, который остается на поверхности на 84%. Время испарения варьируется от долей секунды (амфетамин) до нескольких часов (героин). Для веществ с низкой летучестью определена максимальная масса, способная испариться при заданных условиях. Новизна работы заключается в разработке универсальной модели, применимой для широкого класса опасных веществ, и в выявлении ключевых параметров, определяющих процесс испарения. Полученные результаты позволяют оценить пределы обнаружения следов веществ методами, основанными на регистрации паров, и могут быть использованы при проектировании систем безопасности.

The article investigates the possibility of detecting traces of hazardous substances (explosives and narcotics) based on the detection of their vapors in the air. The relevance of the study stems from the need to counter terrorist threats and drug trafficking, where identifying even trace amounts of substances is critical. The focus is on mathematical modeling of the evaporation of a thin substance layer from a surface, based on molecular kinetic theory. A universal model is proposed, accounting for the physicochemical properties of substances, ambient temperature, adhesion to the surface, and the initial mass of the layer. Using the Hertz – Knudsen – Langmuir and Clausius – Clapeyron equations, analytical expressions are derived for the complete evaporation time, maximum vapor mass, and process dynamics. A dimensionless parameter, $\gamma$, is identified, determining the limiting conditions for evaporation. It is shown that substance adhesion (coefficient $\alpha$) affects the evaporation rate but not the final vapor mass. Calculations were performed for six model substances (TNT, RDX, PETN, amphetamine, cocaine, heroin) with a wide range of properties. At room temperature and a surface concentration of 100 ng/cm2, most substances evaporate completely, except for RDX, which remains on the surface at 84%. Evaporation times range from fractions of a second (amphetamine) to several hours (heroin). For low-volatility substances, the maximum mass capable of evaporating under given conditions is determined. The novelty of the work lies in the development of a universal model applicable to a broad class of hazardous substances and in identifying key parameters governing the evaporation process. The results enable the estimation of detection limits for trace substances using vapor-based methods and can be applied in the design of security systems.

Проведено молекулярно-динамическое (МД) моделирование жесткой TIP4P-EW модели воды при нормальных условиях. В качестве структурных элементов системы рассматривались симплексы Делоне, а для выделения ее плотной части использовался топологический критерий, который позволяет идентифицировать на мгновенных снимках МД ячейки микроструктуру системы молекул воды. Геометрический анализ симплексов Делоне системы указывает на сильную их уплощенность по сравнению с правильным тетраэдром, что принципиально отличается от результатов для простых жидкостей. Статистика кластеров плотной части мгновенного снимка системы исследовалась в зависимости от их мощности и связности. Она схожа с таковой для простых жидкостей, а структура этой плотной части также представляет собой фрактальную поверхность, состоящую из свободных граней симплексов Делоне.

Molecular dynamics (MD) simulations of rigid water model TIP4P-EW at ambient conditions were carried out. Delaunay’s simplexes were considered as structural elements of liquid water. Topological criterion which allows to identify the water microstructure in snapshot of MD cell was used to allocate its dense part. Geometrical analysis of water Delaunay’s simplexes indicates their strong flatness in comparison with a regular tetrahedron that is fundamentally different from the results for dense part of simple liquids. The statistics of TIP4P-EW water clusters was investigated depending on their cardinality and connectivity. It is similar to the statistics for simple liquids and the structure of this dense part is also a fractal surface consisting of the free edges of the Delaunay’s simplexes.

В данном исследовании проверялась корректность работы трех межатомных потенциалов взаимодействия, доступных в научной литературе, в молекулярно-динамическом моделировании вакансионной диффузии в концентрированных сплавах Fe–Cr. Проведенная работа была необходима для дальнейшего детального исследования механизма вакансионной диффузии в данных сплавах с содержанием хрома 5–25 ат.% в температурном диапазоне 600–1000 К. Анализ был выполнен на моделях сплава с содержанием хрома 10, 20, 50 ат.%. Рассмотрение модели сплава с 50 ат.% хрома было необходимо для дальнейшего исследования диффузионных процессов в обогащенных хромом преципитатах данных сплавов. Для всех потенциалов были рассчитаны и проанализированы энергии формирования вакансии в сплавах и диффузионные подвижности атомов железа и хрома через искусственно созданную одиночную вакансию. В качестве основной характеристики для анализа подвижностей атомов была выбрана временная зависимость их среднеквадратичного смещения. Моделирование энергий формирования вакансий не выявило качественных различий между исследуемыми моделями потенциалов. Проведенное исследование атомных подвижностей показало плохое воспроизведение диффузии вакансии в исследуемых сплавах концентрационно-зависимой моделью (CDM), которая сильно занижала подвижность атомов хрома через вакансию во всем исследуемом диапазоне температур и концентраций хрома. Установлено, что двусвязная модель потенциала (2BM) в своей оригинальной и модифицированной версии подобных недостатков не имеет. Это позволяет использовать эти потенциалы в моделированиях вакансионного механизма диффузии в исследуемых сплавах. Для обоих 2BM-потенциалов была зафиксирована существенная зависимость соотношения подвижностей хрома и железа от температуры и содержания хрома в сплавах. Количественные данные коэффициентов диффузии атомов, полученные этими потенциалами, также существенно различаются.

The study tested correctness of three interatomic potentials available in the scientific literature in reproducing a vacancy diffusion in concentrated Fe–Cr alloys by molecular dynamic simulations. It was necessary for further detailed study of vacancy diffusion mechanism in these alloys with Cr content 5–25 at.% at temperatures in the range of 600–1000 K. The analysis of the potentials was performed on alloys models with Cr content 10, 20, 50 at.%. The consideration of the model with chromium content 50 at.% was necessary for further study of diffusion processes in chromium-rich precipitates in these alloys. The formation energies and the atomic mobilities of iron and chromium atoms were calculated and analyzed in the alloys via an artificially created vacancy for all used potentials. A time dependence of mean squared displacement of atoms was chosen as а main characteristic for the analysis of atomic mobilities. The simulation of vacancy formation energies didn’t show qualitative differences between the investigated potentials. The study of atomic mobilities showed a poor reproduction of vacancy diffusion in the simulated alloys by the concentration-dependent model (CDM), which strongly underestimated the mobility of chromium atoms via vacancy in the investigated range of temperature and chromium content. Also it was established, that the two-band model (2BM) of potentials in its original and modified version doesn’t have such drawbacks. This allows one to use these potentials in simulations of vacancy diffusion mechanism in Fe–Cr alloys. Both potentials show a significant dependence of the ratio of chromium and iron atomic mobilities on temperature and Cr content in simulated alloys. The quantitative data of the diffusion coefficients of atoms obtained by these potentials also differ significantly.

Изучение структурной характеристики композитов и наноструктур имеет фундаментальное значение в материаловедении. Теоретическое и численное моделирование и симуляция механических свойств наноструктур является основным инструментом, позволяющим проводить комплексные исследования, которые сложно проводить только экспериментально. Одним из примеров наноструктур, рассматриваемых в данной работе, являются углеродные нанотрубки (УНТ), которые обладают хорошими тепловыми и электрическими свойствами, а также низкой плотностью и высоким модулем Юнга, что делает их наиболее подходящим армирующим элементом для композитов, для потенциального применения в аэрокосмической, автомобильной, металлургической и биомедицинской промышленности. В данном обзоре мы рассмотрели методы моделирования, механические свойства и применение композитов с металлической матрицей, армированных УНТ. Также рассмотрены некоторые методы моделирования, применимые при исследованиях композитов с полимерными и металлическими матрицами. Рассмотрены такие методы, как метод градиентного спуска, метод Монте-Карло, методы молекулярной статики и молекулярной динамики. Было показано, что молекулярно-динамическое моделирование отлично подходит для создания различных систем композиционных материалов и изучения свойств композитов с металлической матрицей, армированных углеродными наноматериалами, в различных условиях. В данной работе кратко представлены наиболее часто используемые потенциалы, описывающие взаимодействие систем моделирования композитов. Правильный выбор потенциалов взаимодействия частей композитов напрямую влияет на описание изучаемого явления. Детализирована и обсуждена зависимость механических свойств композитов от объемной доли, диаметра, ориентации и количества УНТ. Показано, что объемная доля углеродных нанотрубок имеет существенное влияние на предел прочности и модуль Юнга. Диаметр УНТ оказывает большее значение на предел прочности, нежели на модуль упругости. Также приведен в пример работы, в которых изучается влияние длины УНТ на механические свойства композитов. В заключении нами предложены перспективы направления развития молекулярно-динамического моделирования в отношении композитов с металлической матрицей, армированных углеродными наноматериалами.

The study of the structural characteristics of composites and nanostructures is of fundamental importance in materials science. Theoretical and numerical modeling and simulation of the mechanical properties of nanostructures is the main tool that allows for complex studies that are difficult to conduct only experimentally. One example of nanostructures considered in this work are carbon nanotubes (CNTs), which have good thermal and electrical properties, as well as low density and high Young’s modulus, making them the most suitable reinforcement element for composites, for potential applications in aerospace, automotive, metallurgical and biomedical industries. In this review, we reviewed the modeling methods, mechanical properties, and applications of CNT-reinforced metal matrix composites. Some modeling methods applicable in the study of composites with polymer and metal matrices are also considered. Methods such as the gradient descent method, the Monte Carlo method, methods of molecular statics and molecular dynamics are considered. Molecular dynamics simulations have been shown to be excellent for creating various composite material systems and studying the properties of metal matrix composites reinforced with carbon nanomaterials under various conditions. This paper briefly presents the most commonly used potentials that describe the interactions of composite modeling systems. The correct choice of interaction potentials between parts of composites directly affects the description of the phenomenon being studied. The dependence of the mechanical properties of composites on the volume fraction of the diameter, orientation, and number of CNTs is detailed and discussed. It has been shown that the volume fraction of carbon nanotubes has a significant effect on the tensile strength and Young’s modulus. The CNT diameter has a greater impact on the tensile strength than on the elastic modulus. An example of works is also given in which the effect of CNT length on the mechanical properties of composites is studied. In conclusion, we offer perspectives on the direction of development of molecular dynamics modeling in relation to metal matrix composites reinforced with carbon nanomaterials.