Authors:	Poma, Adolfo
Title:	Coarse-graining and quantum-classical adaptive coupling in soft matter
Online publication date:	18-May-2011
Year of first publication:	2011
Language:	english
Abstract:	Die vorliegende Arbeit untersucht den Zusammenhang zwischen Skalen in Systemen weicher Materie, der für Multiskalen-Simulationen eine wichtige Rolle spielt. Zu diesem Zweck wurde eine Methode entwickelt, die die Approximation der Separierbarkeit von Variablen für die Molekulardynamik und ähnliche Anwendungen bewertet. Der zweite und größere Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der konzeptionellen und technischen Erweiterung des Adaptive Resolution Scheme\'\' (AdResS), einer Methode zur gleichzeitigen Simulation von Systemen mit mehreren Auflösungsebenen. Diese Methode wurde auf Systeme erweitert, in denen klassische und quantenmechanische Effekte eine Rolle spielen.\r\n\r\nDie oben genannte erste Methode benötigt nur die analytische Form der Potentiale, wie sie die meisten Molekulardynamik-Programme zur Verfügung stellen. Die Anwendung der Methode auf ein spezielles Problem gibt bei erfolgreichem Ausgang einen numerischen Hinweis auf die Gültigkeit der Variablenseparation. Bei nicht erfolgreichem Ausgang garantiert sie, dass keine Separation der Variablen möglich ist. Die Methode wird exemplarisch auf ein zweiatomiges Molekül auf einer Oberfläche und für die zweidimensionale Version des Rotational Isomer State (RIS) Modells einer Polymerkette angewandt.\r\n\r\nDer zweite Teil der Arbeit behandelt die Entwicklung eines Algorithmus zur adaptiven Simulation von Systemen, in denen Quanteneffekte berücksichtigt werden. Die Quantennatur von Atomen wird dabei in der Pfadintegral-Methode durch einen klassischen Polymerring repräsentiert. Die adaptive Pfadintegral-Methode wird zunächst für einatomige Flüssigkeiten und tetraedrische Moleküle unter normalen thermodynamischen Bedingungen getestet. Schließlich wird die Stabilität der Methode durch ihre Anwendung auf flüssigen para-Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen geprüft. This thesis investigates the connection between the length scales in soft matter systems, which is very important in the field of multiscale modeling. For this purpose a method was developed to evaluate the approximation of separation of variables in molecular dynamics and related fields. A second issue, and the main part of this thesis, concerns the conceptual and technical extension of the "Adaptive Resolution Scheme" (AdResS), a method that allows the simulation of a system with concurrent scales, to situations where quantum effects play a role.\r\n\r\nThe first method mentioned above requires only the analytical form of the potential as provided in most of the molecular dynamics programs. The outcome of the application to a particular problem gives, in the case of a positive assessment, a numerical indication about the validity of the separation of variables and in the negative case the evaluation guarantees strictly that no separation will be possible. This method is then applied to a diatomic molecule on a flat surface and the 2D version of the Rotational Isomer State (RIS) model of a polymer chain.\r\n\r\nThe second part of this thesis is about the development of an algorithm to perform an adaptive resolution simulation where quantum effects can be included, by mapping the quantum nature of an atom onto a classical polymer ring representation within the path integral formalism. The path integral/adaptive method is tested in a model liquid of monoatomic and tetrahedral molecules at standard (ambient) thermodynamic condition. Finally, the robustness of the method is assessed by using it to study liquid para-hydrogen at low temperatures.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4789
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-27760
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen