الديناميكا الجزيئية
تحاكي الديناميكا الجزيئية المادة ذرة بذرة، حيث تدمج معادلات نيوتن للحركة تحت تأثير القوى بين الذرية لمراقبة كيفية تطور السوائل والمواد الصلبة والجزيئات الحيوية، ولحساب خصائصها الديناميكية الحرارية وخصائص النقل.
Definition
الديناميكا الجزيئية هي طريقة محاكاة تحسب مسار نظام من الجسيمات المتفاعلة عن طريق التكامل العددي لمعادلات حركتها الكلاسيكية، والتي تُستمد منها خصائص التوازن والخصائص الديناميكية كمتوسطات زمنية.
Scope
يغطي هذا المجال الديناميكا الجزيئية الكلاسيكية: التكامل الزمني لمعادلات الحركة باستخدام مكاملات سيمبليكتية، والجهود بين الذرية ومجالات القوة التي توفر القوى، والمتحكمات الحرارية (thermostats) والمتحكمات الضغطية (barostats) التي تحقق التجمعات الإحصائية، ونهج مونت كارلو المرتبط ارتباطًا وثيقًا بالمحاكاة الجزيئية. يركز هذا المجال على المنهجية بدلاً من أي مجال تطبيق واحد.
Sub-topics
Core questions
- كيف يتم دمج معادلات نيوتن بثبات للعديد من الذرات المتفاعلة على مدى فترات زمنية طويلة؟
- كيف تُنمذج القوى بين الذرية، من الجهود الزوجية البسيطة إلى مجالات القوة المفصلة؟
- كيف يتم التحكم في درجة الحرارة والضغط لمحاكاة تجمع إحصائي مختار؟
- كيف تُستخلص الخصائص الديناميكية الحرارية وخصائص النقل من مسار محاكى؟
Key theories
- تكامل المسار
- تُقدم الديناميكا الجزيئية المواقع والسرعات باستخدام مكاملات سيمبليكتية قابلة للعكس زمنيًا مثل خوارزمية فيرليت للسرعة (velocity Verlet algorithm)، والتي تحافظ على طاقة ظل وتحافظ على استقرار المحاكاة الطويلة.
- مجالات القوة والجهود
- تُشتق القوى من دوال طاقة الجهد بين الذرية، بدءًا من جهد لينارد-جونز الزوجي (Lennard-Jones pair potential) للسوائل البسيطة وصولاً إلى مجالات القوة متعددة الحدود للجزيئات، والتي تحدد دقتها واقعية المحاكاة.
- التجمعات عبر المتحكمات الحرارية والضغطية
- يؤدي ربط النظام بالمتحكمات الحرارية والضغطية إلى تعديل الديناميكا بحيث تقوم المتوسطات الزمنية بأخذ عينات من التجمع القانوني (canonical ensemble) أو التجمع متساوي الحرارة ومتساوي الضغط (isothermal-isobaric ensemble) بدلاً من التجمع الميكروقانوني (microcanonical ensemble) للديناميكا النيوتونية المجردة.
Clinical relevance
تحسب الديناميكا الجزيئية معاملات الانتشار، واللزوجة، وسلوك الطور، والطاقات الحرة للسوائل والمواد الصلبة، وهي أداة مركزية في علم المواد، وفيزياء المواد اللينة، والنمذجة الجزيئية الحيوية للبروتينات والأغشية.
History
بدأت الديناميكا الجزيئية بمحاكاة Alder وWainwright للكرات الصلبة في أواخر الخمسينيات ومحاكاة Rahman عام 1964 للأرجون السائل بجهد مستمر؛ وقد أدت أجهزة الكمبيوتر الأسرع ومجالات القوة الأفضل إلى توسيع نطاقها من بضع مئات من الذرات إلى الملايين ومن السوائل البسيطة إلى الجزيئات الحيوية.
Key figures
- Aneesur Rahman
- Berni Alder
- Daan Frenkel
- Michael P. Allen
Related topics
Seminal works
- rahman1964
- frenkel2002
Frequently asked questions
- كيف تختلف الديناميكا الجزيئية عن محاكاة مونت كارلو؟
- تتبع الديناميكا الجزيئية المسار الزمني الحقيقي للنظام عن طريق دمج معادلات الحركة، لذا فهي تعطي خصائص ديناميكية مثل الانتشار. أما مونت كارلو فتقوم بدلاً من ذلك بأخذ عينات من التكوينات بشكل عشوائي وتعطي متوسطات التوازن ولكن لا تعطي تطورًا زمنيًا حقيقيًا.
- لماذا تكون المقاييس الزمنية للمحاكاة قصيرة جدًا؟
- يتطلب التكامل المستقر خطوات زمنية تبلغ حوالي الفيمتوثانية لحل الاهتزازات الذرية السريعة، لذا فإن ملايين الخطوات تغطي فقط النانوثواني إلى الميكروثواني، وهذا هو السبب في أن سد الفجوة إلى العمليات البيولوجية أو المادية الأطول يمثل تحديًا مستمرًا.