Lennard-Jones液体の自己拡散係数に及ぼす計算領域サイズと形状の影響

Effect of the computational domain size and shape on the self-diffusion coefficient in a Lennard-Jones liquid.

抄録

本研究では、計算領域のサイズと形状が自己拡散係数に及ぼす影響を明らかにするために、周期境界系における単原子Lennard-Jones液体の分子動力学(MD)シミュレーションを行った。これまで、立方体計算領域における系サイズ依存性が精力的に研究され、拡散係数は系サイズの逆数に線形に依存することが理論的に予測されていた。われわれは、立方体セル系だけでなく、立方体セルの一辺の長さを変化させ、系密度を一定にした直方体セル系においても、系サイズの効果を調べた。その結果、長方形セルの長辺に垂直な方向の拡散係数は、長辺の長さに対してほぼ直線的に大きく増加した。一方、長辺に沿った方向の拡散係数はほぼ一定かわずかに減少する。その結果、周期的境界条件を持つ矩形セルでは、バルク液体シミュレーションにおいても拡散係数の異方性が現れる。この予想外の結果は、現実的なナノスケール技術に存在するナノ空間に閉じ込められた矩形流体系が最近のMDシミュレーションで広く研究されていることから、非常に重要である。拡散特性に対するこの深刻な系形状効果の根本的なメカニズムを解明するために、粒子速度の相関構造を調べた。

In the present study, molecular dynamics (MD) simulations on the monatomic Lennard-Jones liquid in a periodic boundary system were performed in order to elucidate the effect of the computational domain size and shape on the self-diffusion coefficient measured by the system. So far, the system size dependence in cubic computational domains has been intensively investigated and these studies showed that the diffusion coefficient depends linearly on the inverse of the system size, which is theoretically predicted based on the hydrodynamic interaction. We examined the system size effect not only in the cubic cell systems but also in rectangular cell systems which were created by changing one side length of the cubic cell with the system density kept constant. As a result, the diffusion coefficient in the direction perpendicular to the long side of the rectangular cell significantly increases more or less linearly with the side length. On the other hand, the diffusion coefficient in the direction along the long side is almost constant or slightly decreases. Consequently, anisotropy of the diffusion coefficient emerges in a rectangular cell with periodic boundary conditions even in a bulk liquid simulation. This unexpected result is of critical importance because rectangular fluid systems confined in nanospace, which are present in realistic nanoscale technologies, have been widely studied in recent MD simulations. In order to elucidate the underlying mechanism for this serious system shape effect on the diffusion property, the correlation structures of particle velocities were examined.