Molecular dynamics simulations on a parallel computer plastic crystals and related systems

Department of Physics, University of Edinburgh, James Clerk Maxwell Building, Mayfield Road, Edinburgh EH9 3JZ, U.K..

Abstract

Four molecular dynamics projects concerning dynamic molecular disorder are discussed, all having in common the fact that they are being done on a computer which is an array of parallel processors. The computer architecture is ideal for these systems as the molecules do not undergo translational diffusion.

The first system is SF6 both in the plastic phase and below, where two phase transitions have been identified. In the plastic phase orientational disorder is apparent, the molecules arranging themselves so as to minimise the effect of the frustration between the nearest neighbour attraction and the next-nearest neighbour repulsion. The phase transitions represent the compromises enforced by this frustration as the temperature is lowered. A time correlation analysis shows that it is unlikely that phonon-like modes can exist in the plastic phase.

The second system is naphthalene very near to melting, where the predominant molecular reorientation is about the axis of greatest inertia. This is contrasted with experimental results which suggest that the reorientation about the axis of least inertia is associated with melting, the other reorientations not being catastrophic for the crystallinity of the system. Arguments are presented that the system does not have a plastic phase just below the melting point.

The third system is butane, where the molecule itself has internal degrees of freedom which are incorporated in the model. A number of crystal phases have been discovered, most of which must be metastable. On warming the stable triclinic phase to a temperature above the plastic transition in the real system, the model system takes on an orthorhombic structure where the symmetry is a time average.

The last system discussed is an invented two-dimensional system of molecules we call quaternane, as they have four atoms arranged in a chain. Each molecule has two internal degrees of freedom both of which carry a double-well potential. The system develops domain walls when warmed from a low-temperature crystal phase, and it is apparent that the structure within the walls shows smectic liquid-crystal-like behaviour. This model could well prove to be a starting point for liquid-crystal simulations at the atomic level.

Résumé

On discute ici quatre études de dynamique moléculaire sur les systèmes désordonnés qui ont été faites avec une calculatrice constituée d'un ensemble de processeurs parallèles. Cette architecture est idéale pour de tels systèmes dans lesquels les molécules ne subissent pas de diffusion par translation.

Le premier système est SF6 en phase plastique et en-deçà, où deux transitions de phase ont été identifiées. En phase plastique, le désordre orientationnel se voit clairement, les molécules se plaçant de manière à minimiser l'effet de frustration entre l'attraction par le plus proche voisin et la répulsion par le second voisin. Les transitions de phase représentent les compromis imposés par cette frustration quand on abaisse la température. L'analyse des temps de corrélation montre que l'existence de modes de type phonon est peu probable en phase plastique.

Le second système est le naphtalène près de son point de fusion. La réorientation moléculaire prédominante se fait autour de l'axe de plus grande inertie. Contrairement aux résultats expérimentaux, qui suggèrent qu'une réorientation autour de l'axe de moindre inertie est associée à la fusion, les autres réorientations n'ayant guère d'influence sur l'état du système. On montre que le système ne présente vraisemblablement pas de phase plastique avant sa fusion.

Le troisième système est le butane, où la molécule possède des degrès internes de liberté incorporés dans le modèle. On propose l'existence de diverses phases cristallines, dont la plupart doivent être métastables. Au-dessus de la température de transition vers la phase plastique, la phase triclinique se transforme en une phase orthorhombique dont la symétrie est une moyenne temporelle.

Le dernier système discuté est un système imaginaire bicfimensionnel de molécules que nous appelons "quaternane" car il possède quatre atomes disposés en chaine. Chaque molécule à deux degrés internes de liberté, qui présentent chacun un double puits de potentiel. Ce système forme des parois de domaine quand il est chauffé à partir de la phase cristalline de basse température, et il est apparent que la structure interne de la paroi a un comportement de cristal liquide smectique. Ce système pourrait être le point de départ de simulations de cristaux liquides au niveau atomique.