Dinámica Molecular
La dinámica molecular simula la materia átomo por átomo, integrando las ecuaciones de movimiento de Newton bajo fuerzas interatómicas para observar cómo evolucionan líquidos, sólidos y biomoléculas, y para calcular sus propiedades termodinámicas y de transporte.
Definition
La dinámica molecular es un método de simulación que calcula la trayectoria de un sistema de partículas interactuantes mediante la integración numérica de sus ecuaciones clásicas de movimiento, a partir de las cuales se obtienen las propiedades de equilibrio y dinámicas como promedios temporales.
Scope
Esta área cubre la dinámica molecular clásica: la integración temporal de las ecuaciones de movimiento con integradores simplécticos, los potenciales interatómicos y campos de fuerza que suministran las fuerzas, los termostatos y barostatos que realizan los conjuntos estadísticos, y el enfoque de Monte Carlo, estrechamente relacionado, para la simulación molecular. Se centra en el método más que en un dominio de aplicación específico.
Sub-topics
Core questions
- ¿Cómo se integran de forma estable las ecuaciones de Newton para muchos átomos interactuantes durante largos períodos de tiempo?
- ¿Cómo se modelan las fuerzas interatómicas, desde potenciales de pares simples hasta campos de fuerza detallados?
- ¿Cómo se controlan la temperatura y la presión para simular un conjunto estadístico elegido?
- ¿Cómo se extraen las propiedades termodinámicas y de transporte de una trayectoria simulada?
Key theories
- Integración de trayectorias
- La dinámica molecular avanza las posiciones y velocidades con integradores simplécticos reversibles en el tiempo, como el algoritmo de Verlet de velocidad, que conservan una energía sombra y mantienen estables las simulaciones largas.
- Campos de fuerza y potenciales
- Las fuerzas se derivan de funciones de energía potencial interatómica, que van desde el potencial de pares de Lennard-Jones para fluidos simples hasta campos de fuerza con muchos términos para moléculas, cuya precisión establece el realismo de la simulación.
- Conjuntos mediante termostatos y barostatos
- El acoplamiento del sistema a termostatos y barostatos modifica la dinámica de modo que los promedios temporales muestrean el conjunto canónico o isotérmico-isobárico en lugar del microcanónico de la dinámica newtoniana pura.
Clinical relevance
La dinámica molecular calcula coeficientes de difusión, viscosidades, comportamiento de fase y energías libres de fluidos y y sólidos, y es una herramienta central en la ciencia de materiales, la física de la materia blanda y el modelado biomolecular de proteínas y membranas.
History
La dinámica molecular comenzó con las simulaciones de esferas duras de Alder y Wainwright a finales de la década de 1950 y la simulación de argón líquido de Rahman en 1964 con un potencial continuo; computadoras más rápidas y mejores campos de fuerza la extendieron de unos pocos cientos de átomos a millones y de líquidos simples a biomoléculas.
Key figures
- Aneesur Rahman
- Berni Alder
- Daan Frenkel
- Michael P. Allen
Related topics
Seminal works
- rahman1964
- frenkel2002
Frequently asked questions
- ¿En qué se diferencia la dinámica molecular de la simulación de Monte Carlo?
- La dinámica molecular sigue la trayectoria en tiempo real del sistema integrando ecuaciones de movimiento, por lo que proporciona propiedades dinámicas como la difusión. Monte Carlo, en cambio, muestrea configuraciones estocásticamente y proporciona promedios de equilibrio, pero no una evolución temporal genuina.
- ¿Por qué las escalas de tiempo de simulación son tan cortas?
- La integración estable requiere pasos de tiempo de aproximadamente un femtosegundo para resolver vibraciones atómicas rápidas, por lo que incluso millones de pasos cubren solo nanosegundos a microsegundos, razón por la cual la conexión con procesos biológicos o materiales más largos es un desafío continuo.