Atomistic Computational Modelling of Water-Oil-Rock Interfaces

تحدث العديد من العمليات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية الرائعة في الواجهات البينية. وقد شهد التحقيق الحاسوبي في الواجهات مؤخرًا عددًا من التطورات المهمة. عى وجه الخصوص، فقد أظهرت الفهم للبنية بينية ودينامياتها من خ ال المحاكاة الحاسوبية أن تكون أداة أساسية موازية للجهود التجريبية. أقترح وضع نهج حاسوبي لمشكلة بينية صخرية للنفط باستخدام مزيج من ميكانيكا الكم الميكانيكية والميكانيكية الجزيئية. إن معالجة الجزء النشط كيميائياً من النظام الكمومي يسمح ميكانيكياً للهيكل الإلكتروني وتغيراته )مثل كسر الرابطة وتشكيلها في تفاعل كيميائي( عى أن يتم نمذجتها بموارد حسابية معقولة. يتم وصف الجزء المتبقي من النظام باستخدام الميكانيكا الجزيئية، مع السماح للمنطقتين بالتفاعل. إن الجمع بين سرعة وكفاءة الميكانيكا الجزيئية يجبر الحسابات الميدانية )بالنسبة للجزء الأكبر من النظام( مع تنوع ودقة الطريقة الميكانيكية الكمي )للمنطقة التفاعلية الهامة( يسمح بسلوك الأنظمة الكبيرة ليتم دراستها في أكثر واقعية من هذا ممكن باستخدام إما واحد أو نهج آخر وحده.

Many fascinating physio-chemical and biological processes occur at interfaces. The computational investigation of interfaces has recently witnessed a number of important developments. In particular, the understanding of the interfacial structure and its dynamics via computer simulations has shown to be an essential tool parallel to experimental efforts. I propose to establish a computational approach to the oil-rock interfacial problem by employing a combination of quantum mechanical and molecular mechanics simulations. Treating the chemically active part of the system quantum mechanically allows the electronic structure and its changes (e.g. bond breaking and formation in a chemical reaction) to be modeled with reasonable computational resources. The remaining portion of the system is described using molecular mechanics, with the two regions being allowed to interact. The combination of the speed and efficiency of the molecular mechanics force field calculations (for the bulk of the system) with the versatility and precision of the quantum mechanical method (for the important reactive zone) allows the behavior of large systems to be studied in a more realistic manner than this would be possible using either the one or the other approach alone.