We develop a fast method for computing the electrostatic energy and forces for a collection of charges in doubly-periodic slabs with jumps in the dielectric permittivity at the slab boundaries. Our method achieves spectral accuracy by using Ewald splitting to replace the original Poisson equation for nearly-singular sources with a smooth far-field Poisson equation, combined with a localized near-field correction. Unlike existing spectral Ewald methods, which make use of the Fourier transform in the aperiodic direction, we recast the problem as a two-point boundary value problem in the aperiodic direction for each transverse Fourier mode, for which exact analytic boundary conditions are available. We solve each of these boundary value problems using a fast, well-conditioned Chebyshev method. In the presence of dielectric jumps, combining Ewald splitting with the classical method of images results in smoothed charge distributions which overlap the dielectric boundaries themselves. We show how to preserve spectral accuracy in this case through the use of a harmonic correction which involves solving a simple Laplace equation with smooth boundary data. We implement our method on Graphical Processing Units, and combine our doubly-periodic Poisson solver with Brownian Dynamics to study the equilibrium structure of double layers in binary electrolytes confined by dielectric boundaries. Consistent with prior studies, we find strong charge depletion near the interfaces due to repulsive interactions with image charges, which points to the need for incorporating polarization effects in understanding confined electrolytes, both theoretically and computationally.


翻译:我们开发了一种快速的方法来计算静电能量和电力,以收集在平面边界的双周期性平板上的收费。 我们的方法通过使用Ewald分解来取代原Poisson等式,以平滑的远野Poisson等式取代近色源的原始Poisson等式,加上局部的近场校正。 与现有的光谱 Ewald 方法不同,它利用Fourier变换周期性方向,我们把这一问题压缩成一个双点边界值问题,作为每个跨流的Fourier模式的周期性方向的双点边界值问题,为此提供了精确的反向边界条件。 我们用快速、完善的Chebyshev方法解决了这些边界值问题中的每一个问题。 在有电突飞过的地方,将Ewald和经典图像的分解方法结合起来,使平面边界本身的边界相互重叠。 我们展示了如何保持此案件的光谱准确度,通过使用一个强烈的平面的平面平面平面的平面纠正方法, 需要用一个简单的平面平面平面平面平面的平面平面的平面的平面的平面研究,我们用平面平面平面的平面的平面的平面的平面结构进行。

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