Аннотация результатов, полученных в 2017 году
За отчетный период научная группа объединила свои программные наработки в программный комплекс, который получил название SuSMoST (Surface Science Modeling and Simulation Toolkit). При создании программного комплекса группа использует гибкую методологию разработке – agile. Возможности программного комплекса по мере выполнения работ в отчетный период постоянно расширялись, и в настоящий момент он включает в себя два пакета-библиотеки языка Python (susmost и susmost.mc), веб-интерфейс генерации расчётных скриптов для основных вариантов использования, а также документации и обучающих материалов. Все компоненты SUSMOST представлены в открытом доступе на сайте susmost.com. Объединение разнородных методов статфизики в один инструмент организовано на основе решёточной модели, которая достаточным потенциалом для описания большинства адсорбционных систем, исследуемых современной наукой о поверхности (это подтверждается публикациями в ведущих журналах данной области). Ключевыми компонентами описания решёточной задачи в SUSMOST являются следующие данные: (1) структура решётки атомов поверхности или активных центров адсорбции, заданная в виде векторов трансляционной симметрии решётки и списка точек в элементарной ячейке; (2) список адсорбционных комплексов (или их состояний) с информацией об их энергии и геометрии (относительно узлов решётки); (3) функция латеральных взаимодействий адсорбционных комплексов. На основе данной модели был спроектирован и реализован унифицированный программный интерфейс в виде функций и классов языка Python для каждого вычислительного алгоритма в SUSMOST. Документация к программному комплексу представлена на сайте susmost.com. С целью создания понятного для непрограммистов вычислительного инструмента группой был разработан пользовательский интерфейс в виде веб-приложения, который доступен на сайте: susmost.com/interface.html. На данный момент реализован простейший вариант, который позволяет производить генерацию программного кода для моделирования желаемой системы. Данный подход удобен тем, что позволяет с помощью интерфейса создать некоторый каркас, который может быть в дальнейшем использован для модифицирования под случаи, которые не предусмотрены интерфейсом. В будущем планируется предоставить пользователям возможность проводить пробные расчёты на сайте с использованием веб-интерфейса. В программном комплексе имеется возможность выбрать метод расчетов (Монте-Карло или трансфер-матрица), после чего пользовательский интерфейс перестраивается под выбранный метод. Можно ввести желаемые параметры модели (размеры системы, энергию взаимодействия в адсорбционном слое, диапазон температур, диапазон изменения химического потенциала и т.д.) и указать термодинамические характеристики, которые необходимо исследовать (изотерма адсорбции, изменение энтропии системы, изменение теплоёмкости, дифференциальная теплота адсорбции и др.). Сгенерированный в результате код можно скачать и запустить на пользовательском компьютере. Предварительно необходимо произвести установку программы SUSMOST, следуя инструкции на сайте: susmost.com/getstart.html. Необходимо отметить, что в SUSMOST было впервые реализовано тензорное разложение трансфер-матрицы для систем с многочастичными взаимодействиями. Разложение трансфер-матрицы в виде тензорного произведения сокращает время вычислений и расширяет область применимости соответствующего метода. Ранее тензорное разложение было реализовано и использовалось только для систем с парными взаимодействиями и при отсутствии диагональных взаимодействий. Используя современный язык тензорных сетей, мы сформулировали метод трансфер-матрицы для случая с многочастичными взаимодействиями. В качестве основы был взят подход Interaction Round a Face подразумевающий представление взаимодействий в виде тензора четвёртого порядка (ранга). Пример моделирования такой системы приведён в документации на сайте susmost.com. Создан сайт susmost.com, на котором располагается вся необходимая для работы с программой SUSMOST информация. На главной странице находится краткое описание программного комплекса, ссылки для скачивания текущей версии, упоминания в СМИ, а также список публикаций, в которых использовался SUSMOST. Любую версию программы можно скачать по адресу susmost.com/downloads/. На странице susmost.com/forum/ располагается форум для обсуждения вопросов, связанных с использованием программного комплекса. Форма обратной связи и контактная информация располагается на странице susmost.com/contacts.php. Документация доступна по адресу susmost.com/documentation.html. Здесь находится руководство пользователя по установке программного комплекса и примеры его использования (исследование моделей Ленгмюра и адсорбции бинарных газов методами Монте-Карло и трансфер-матрицы). Программный комплекс SUSMOST представлен на международной конференции по катализу и химии поверхности (International Conference on Catalysis and Surface Chemistry) в г. Кракове, Польша (18-23 марта 2018 года). В рамках двух докладов представлены возможности программного комплекса для международной аудитории ученых, работающей в области гетерогенного катализа, в частности, показано, что программа SUSMOST может быть эффективно использована для предсказания фазового поведения смеси газов и функциональных органических молекул на поверхности твердого тела. Эта возможность очень важна с точки зрения интерпретации экспериментальных данных низкотемпературного гетерогенного, многофазного катализа, процессов самосборки молекулярных структур на поверхности. Кроме того, подготовлены и приняты три устных доклада на международную конференцию 15-th European Vacuum Conference – в г. Женева, Швейцария (17 – 21 июня 2018 года). Общая цель докладов – демонстрация программного комплекса SUSMOST как инструмента для ежедневной научной работы групп, занимающихся экспериментальными и теоретическими исследованиями в области адсорбции и гетерогенного катализа. За отчетный период опубликовано 2 статьи, индексируемые в базе данных Web of Science (Q1): 1) Remnants of the devil's staircase of phase transitions in the model of dimer adsorption at nonzero temperature, S. S. Akimenko, V. F. Fefelov, A. V. Myshlyavtsev, and P. V. Stishenko, Physical Review B 97, 085408, 2018. DOI: 10.1103/PhysRevB.97.085408. В статье приведены результаты исследования модели вертикально и горизонтально ориентированных димеров на сотовой решетке. Дело в том, что в такой системе при температуре 0 К наблюдается бесконечная последовательность фазовых переходов, однако вопрос существования этого явления при температурах отличных от 0 К оставался открытым. Используя современные алгоритмы методов трансфер-матрицы и Монте-Карло, реализованные нами в программном комплексе SUSMOST, было установлено, что, по крайней мере, 10 фаз существуют при температурах отличных от нуля. 2) Phase diversity in an adsorption model of an additive binary gas mixture for all sets of lateral interactions, V. F. Fefelov, A. V. Myshlyavtsev and M. D. Myshlyavtseva, Physical Chemistry Chemical Physics 20, 10359, 2018. DOI: 10.1039/C7CP08426A. С помощью метода трансфер-матрицы в рамках разрабатываемого нами программного комплекса SUSMOST удалось идентифицировать возможные сценарии фазового поведения двухкомпонентной газовой смеси при ее осаждении на поверхность твердого тела. Полученные данные иллюстрируют практически все возможные варианты взаимодействия молекул на поверхности и могут быть полезны для интерпретации экспериментальных данных низкотемпературного гетерогенного, многофазного катализа, процессов самосборки молекулярных структур на поверхности, разделения газовых смесей. Кроме того, 2 статьи приняты к публикации в журнал AIP Conference Proceedings: 1) A.I. Fadeeva, V.A. Gorbunov and P.V. Stishenko, Modeling of self-assembling monolayer of terephthalic acid and iron on the copper surface: intermolecular interactions and the ground state // AIP Conference Proceedings (2018) 2) T.R. Kayumova, P.V. Stishenko, Qualitative DFT study of lateral interactions between nitrogen molecules adsorbed on a V3C2 MXene sheet // AIP Conference Proceedings (2018) Статьи являются примером применения алгоритмов метода Монте-Карло, реализованных в программном комплексе SUSMOST, для моделирования структуры и термодинамических свойств адсорбционных систем, актуальных с точки зрения фундаментальной науки и приложений. Результаты, полученные научной группой за отчетный период, также были освещены в ряде СМИ: Ученые придумали, как создавать треугольные кирпичи с помощью самосборки молекул. (https://www.gazeta.ru/science/news/2018/03/06/n_11250625.shtml) Павел СТИШЕНКО: «Ученые едут туда, где есть финансирование, возможность развиваться, работать» (http://kvnews.ru/gazeta/2018/aprel/15/99177) Физики из России заставили молекулы склеиваться в треугольные нанокирпичи (https://ria.ru/science/20180306/1515835108.html) Обнаружены интересные особенности поведения газовой смеси на поверхности твердого тела (https://www.gazeta.ru/science/news/2018/04/24/n_11452171.shtml) Газы и поверхности (http://polit.ru/article/2018/04/25/ps_rnf/) Работа омских ученых, занимающихся вычислительной химией, заинтересовала Европу (http://kvnews.ru/news-feed/99092)

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В отчётный период 2018-2019 года наша группа проделала большую работу по развитию программного комплекса SuSMoST: был автоматизирован процесс создания и параметризации решёточной модели по атомарным конфигурациям адсорбционных центров путём анализ их симметрий, были добавлены функции, помогающие с помощью методов квантовой химии вычислять параметры модели, был реализован в общем виде алгоритм ренормализации тензорных сетей, который ранее применялся только для самых простных моделей. С целью упросить использование программного комплекса был автоматизирован процесс создания решёточной модели по атомарным описаниям адсорбционных комплексов. Описание систем в виде списка координат атомов является привычным для широкого сообщества исследователей, знакомых с методами молекулярной динамики и квантовой химии. Путём анализа симметрии адсорбционных комплексов SuSMoST автоматически определяет набор состояний узлов решётки. Атомарное описание также используется для расчётов методами кватовой химии параметров модели и характеристик структур образующихся в адсорбционном слое. Подробное описание данного подхода к заданию модели приведено в статье с описанием программного комплекса, препринт которой размещён на сайте ChemRxiv: https://www.doi.org/10.26434/chemrxiv.8068307.v1. В виде вычислительного модуля реализован новый алгоритм ренормализации тензорной сети. Ранее этот алгоритм применялся лишь для простых абстрактны моделей. Его реализация в SuSMoST может использоваться для исследования любой адсорбционной системы, при наличии достаточного количества вычислительных ресурсов. На сайт программного продукта http://susmost.com/ был добавлен обучающий материал по моделированию с помощью данного вычислительного модуля. Также была добавлена возможность использования ренормализации тензорных сетей в виде веб-интерфейса и обновлён веб-интерфейс до версии 0.4 для остальных методов. Веб-интерфейс, как и в случае методов трансфер-матрицы и Монте Карло, позволяет генерировать код программы, который затем может быть использован для исследования простейших решёточных моделей на вычислительных мощностях пользователя. С целью анализа характеристик алгоритмов и их реализаций в SuSMoST, был выполнен ряд работ по исследованию с помощью SuSMoST как абстрактных моделей, так и моделей конкретных систем разного рода. С помощью методов ренормализации тензорной сети и трансфер-матрицы было проведено исследование термодинамических характеристик последовательности моделей жёстких дисков на треугольной решётке. Интерес к этой последовательности моделей в первую очередь вызван тем, что при их моделировании методами на основе тензорных сетей возникают те же вычислительные трудности, что и при моделировании адсорбции больших молекул. В результате метод ренормализации тензорной сети показал замечательную производительность и точность. Мы считаем, что этот метод имеет перспективы применения для широкого класса адсорбционных систем. Нами был проведен полный анализ фазового многообразия для простейшей модели адсорбции газовой смеси с учетом всех возможных взаимодействий между частицами. Полученные результаты будут полезны при интерпретации данных экспериментальных исследований адсорбции газовых смесей: низкотемпературного гетерогенного катализа, адсорбционного газоразделения, получения монослоев с самоорганизацией и др. Кроме того, результаты работы имеют самостоятельную ценностью, как законченное исследование фазового разнообразия в простейшей модели адсорбции бинарной газовой смеси для всех возможных наборов изотропных латеральных взаимодействий между ближайшими адсорбированными молекулами. По результат исследования была опубликована статья в высокорейтинговом журнале Adsorption (Q1): Фефелов В.Ф., Мышлявцев А.В., Мышлявцева М.Д. (Fefelov V. F., Myshlyavtsev A. V., Myshlyavtseva M. D.) «Complete analysis of phase diversity of the simplest adsorption model of a binary gas mixture for all sets of undirected interactions between nearest neighbors». С помощью квантово-химических расчётов, а также с помощью статистического моделирования в программном комплексе SuSMoST получены значения степени покрытия и структуры адсорбционного слоя аммиака на поверхности двумерного карбида ванадия. Данный материал является перспективным катализатором синтеза аммиака. Нами были установлены диапазоны температуры и давления при которых данный катализатор в принципе сможет работать, не отравляясь продуктом реакции.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В третий год была проведена большая работа по моделированию взаимодействий между адсорбционными комплексами. Эта работа включала в себя добавление новых возможностей в программный комплекс, упрощение использования ранее добавленного функционала, а также исследование применимости различных моделей латеральных взаимодействий и способов их параметризации. Также был исследован ряд моделей важных классов адсорбционных систем: жёстких дисков на однородной поверхности, бинарных металл-органических адсорбционных смесей, адсорбции на дефектной поверхности. Была проведена работа по развитию и адаптации новых методов в SuSMoST, а также упрощению программного и графического интерфейсов. Был расширен функционал графического веб-интерфейса на сайте http://susmost.com/ . Добавлен функционал по построению моделей. Теперь имеется возможность выбрать из имеющегося перечня или загрузить свои XYZ-файлы поверхности и адсорбционных комплексов. Во время работы с файлами происходит их визуализация. Можно настроить параметры модели (ширина и высота сэмплов, а также максимальное расстояние взаимодействий между адсорбированными молекулами) и произвести построение модели. В интерактивной форме можно визуализировать полученные парные конфигурации молекул на поверхности и задавать энергии взаимодействия между адсорбированными молекулами. Далее, SuSMoST использует введённые данные для построения и параметризации решёточной модели. Полученную модель можно скачать в виде архива или провести пробный тестовый расчёт методом Монте-Карло и затем скачать полученные результаты. Добавлена и улучшена интеграция с пакетами квантово-химических вычислений GPAW и Quantum Espresso. Описан общий программный интерфейс для такой интеграции с другими пакетами, добавлен функционал по генерации входных данных для DFT расчётов и а также по использованию результатов локальной геометрической оптимизации с их помощью. Кроме того, улучшены возможности параметризации эмпирических моделей латеральных взаимодействий. Теперь SuSMoST позволяет моделировать адсорбционные слои на поверхности с регулярной и случайной неоднородностью в виде разнообразных точечных дефектов кристаллической решетки поверхности, таких как вакансии, дислокации и примеси. Предложенная методика позволяет легко регулировать долю дефектов на поверхности, что очень важно для моделирования реальных систем и исследования эффектов неоднородности адсорбента на термодинамические свойства адсорбционного слоя. Кроме прямого моделирования самосборки на неоднородной поверхности, когда образование адсорбционного слоя начинается со случайного покрытия поверхности молекулами, можно моделировать заранее заданные структуры с целью оценки их термодинамической стабильности. Исполнители гранта выступили на двух международных конференциях: 21th International Vacuum Congress (IVC-21, 1-5 июля 2019 года, г. Мальмё, Швеция) и 10th Triennial Congress of the International Society for Theoretical Chemical Physics (ISTCP 2019, 11-17 июля 2019 года, г. Тромсё, Норвегия). Опубликованы или приняты к публикации в международных журналах 4 статьи: 6.1) В журнале Physical Review E опубликовано исследование серии важных моделей жёстких дисков на треугольной решётке методом ренормализации тензорных сетей (TRG). Данные модели интересны возможностью обобщённого описания термодинамических свойств различных молекулярных слоёв на поверхности твёрдого тела. Кроме того, теоретический интерес представляет сходимость исследуемой последовательности к широко известной непрерывной модели жёстких дисков. Ранее метод TRG применялся только для исследования простых моделей, однако предложенный в работе способ построения тензорной сети позволил расширить применимость данного подхода и сделать алгоритм независимым от симметрии решётки. 6.2) В журнале Journal of Physical Chemistry C опубликовано исследование самосборки металл-органических структур в системе терефталевая кислота/железо на поверхности меди. Показано определяющее влияние дальних взаимодействий через подложку на фазовое поведение бинарных металлорганических слоёв терефталевой кислоты и железа на поверхности меди. С помощью построенной решёточной модели адсорбционного слоя предсказано существование двух новых фаз, определены условия их термодинамической стабильности. 6.3) В журнале Journal of Physical Chemistry C опубликовано систематическое исследование самосборки металлорганических сетей 1,3,5-трис(пиридин)безола и переходных металлов на поверхности золота. С помощью функционала SuSMoST была построена простая решеточная модель, основным параметром которой является соотношение между энергиями двух ключевых координационных взаимодействий. По этому параметру был проведён вычислительный скрининг переходных металлов. В результате были выявлены общие закономерности поведения таких систем. В частности показано, что в металлорганических слоях данного типа реализуется бесконечная последовательность фаз типа «цветок», отличающихся относительным содержанием металла. В рамках этой работы также была решена проблема применения метода TRG к моделям с относительно дальними взаимодействиями и большой вырожденностью фаз. А именно, была адаптирована новая схема свёртки тензоров, недавно предложенная Morita et al [10.1103/PhysRevE.97.033310], была добавлена возможность использования рандомизированного алгоритма сингулярного разложения Halko-Martinsson-Tropp [10.1137/090771806]. Кроме того, была добавлена возможность использования GPU ускорителей через интерфейс CUDA. В данной работе, в силу сложности моделируемой системы и разнообразия адсорбционных комплексов исследование собственного состояния представляло существенные трудности. Потому мы использовали алгоритмы эволюционного моделирования для поиска фаз в основном состоянии системы. Для этого был расширен программный интерфейс доступа к структурам данных SuSMoST, а также добавлена возможность расчёта fingerprint-функций адсорбционного слоя. Это позволило интегрировать SuSMoST с библиотекой эволюционных алгоритмов DEAP и вычислить с помощью эволюционных алгоритмов DEAP стабильные фазы для основного состояния системы. 6.4) Моделирование адсорбциии на неоднородных поверхностях очень важно с точки зрения приложений, поскольку структура реальных металлических поверхностей зачастую неидеальна. Как следствие, поверхность энергетически неоднородна: разные ее места обладают различной адсорбционной способностью. Это означает, что и прочность связи в одних и тех же комплексах на разных местах реальной неоднородной поверхности оказывается в общем случае неодинаковой. Это влияет на структуру образующегося слоя и его характеристики. Мы разработали методику моделирования адсорбционных слоёв на неоднородных поверхностях с помощью SuSMoST. Статья с описанием исследования самосборки терефталевой кислоты и атомов железа на дефектной поверхности Cu(100) на основе этой методики принята к публикации в журнале AIP Conference Proceedings.