一种基于量子的聚合物网络初级辐射损伤预测方法。

ty10086 提交于 周三, 08/25/2021 - 16:32
文章英文标题
A Quantum-Based Approach to Predict Primary Radiation Damage in Polymeric Networks.
正文
化学反应材料中的初始原子级辐射损伤被认为是诱导反应级联,从而导致宏观尺度性质的不可取退化。基于量子的分子动力学( QMD )模拟的集合可以准确预测这些级联,但从许多潜在的轨迹中提取化学见解是一个劳动密集型的过程,需要大量的先验直觉。我们在这里发展了一种通用和自动化的基于图的方法来提取QMD模拟中采样的所有化学结构,并应用我们的方法来预测有机硅的主要组成聚二甲基硅氧烷( PDMS )的主要辐射损伤。开发了一种后处理协议,用于识别QMD轨迹中的底层聚合物骨架结构作为连接元件。这些骨架构成了辐射损伤结构的存储库。提出了一种提取和更新同构不同结构库的方案,用于识别库的生成集和辅助化学解释。这些分析被应用到级联QMD模拟中,其中PDMS中的四种元素类型在初级敲击原子事件中被选择性激发。我们的方法揭示了这个系统的组合复杂性程度远远高于通过放射分析实验推断的。提取辐射诱导网络变化的概率,包括分支点的形成、碳链的连接、循环、键的剪切以及碳吸收进入Si-O硅氧烷主干网络。本文提出的通用分析框架很容易扩展到其他聚合物和分子材料的化学降解建模,并为今后的量子信息多尺度辐射损伤建模提供了基础。
文章内容(英文)
Initial atomistic-level radiation damage in chemically reactive materials is thought to induce reaction cascades that can result in undesirable degradation of macroscale properties. Ensembles of quantum-based molecular dynamics (QMD) simulations can accurately predict these cascades, but extracting chemical insights from the many underlying trajectories is a labor-intensive process that can require substantial a priori intuition. We develop here a general and automated graph-based approach to extract all chemically distinct structures sampled in QMD simulations and apply our approach to predict primary radiation damage of polydimethylsiloxane (PDMS), the main constituent of silicones. A postprocessing protocol is developed to identify underlying polymer backbone structures as connected components in QMD trajectories. These backbones form a repository of radiation-damaged structures. A scheme for extracting and updating a library of isomorphically distinct structures is proposed to identify the spanning set and aid chemical interpretation of the repository. The analyses are applied to ensembles of cascade QMD simulations in which the four element types in PDMS are selectively excited in primary knock-on atom events. Our approach reveals a much higher degree of combinatorial complexity in this system than was inferred through radiolysis experiments. Probabilities are extracted for radiation-induced network changes including formation of branch points, carbon linkages, cycles, bond scissions, and carbon uptake into the Si-O siloxane backbone network. The general analysis framework presented here is readily extendable to modeling chemical degradation of other polymers and molecular materials and provides a basis for future quantum-informed multiscale modeling of radiation damage.
来源出处
Journal|[J]Journal of Chemical Theory and Computation2020.
DOI
https://doi.org/10.1021/ACS.JCTC.0C00967

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