شبیهسازی دینامیک مولکولی
دینامیک مولکولی معادلات حرکت نیوتن را برای سیستمی از اتمهای در حال تعامل یکپارچه میکند و مسیرهایی را تولید مینماید که از آنها خواص ساختاری، دینامیکی و ترمودینامیکی محاسبه میشوند.
Definition
یک تکنیک شبیهسازی که موقعیتها و سرعتهای اتمی را در طول زمان تحت تأثیر نیروهای ناشی از یک تابع انرژی پتانسیل پیش میبرد و یک مسیر قطعی را در فضای فاز تولید میکند.
Scope
این مبحث شامل انتگرالگیری عددی از معادلات حرکت کلاسیک، انتگرالگیرهای برگشتپذیر زمانی مانند خانواده ورلت (Verlet)، کنترل دما و فشار از طریق ترموستاتها و باروستاتها، بررسی الکترواستاتیکهای دوربرد و مرزهای تناوبی، و استخراج خواص تعادلی و انتقالی از مسیرها میشود.
Core questions
- چگونه معادله حرکت نیوتن به طور پایدار در طول گامهای زمانی متعدد یکپارچه میشود؟
- چگونه دما و فشار برای نمونهبرداری از یک مجموعه ترمودینامیکی انتخاب شده کنترل میشوند؟
- چگونه برهمکنشهای الکترواستاتیکی دوربرد به طور کارآمد مدیریت میشوند؟
- چگونه خواص قابل مشاهده از یک مسیر محدود بازیابی میشوند؟
Key theories
- انتگرالگیری ورلت (Verlet integration)
- یک طرح ساده، برگشتپذیر زمانی و سیمپلکتیک برای انتگرالگیری معادلات حرکت که انرژی را به خوبی در طول شبیهسازیهای طولانی حفظ میکند و اساس بیشتر کدهای دینامیک مولکولی است.
- نمونهبرداری ارگودیک (Ergodic sampling)
- بر اساس فرضیه ارگودیک، میانگینهای زمانی در طول یک مسیر به اندازه کافی طولانی برابر با میانگینهای مجموعه است و شبیهسازی را به مشاهدات مکانیک آماری پیوند میدهد.
Mechanisms
هر گام، نیروها را از گرادیان پتانسیل محاسبه میکند، موقعیتها و سرعتها را توسط انتگرالگیر پیش میبرد و اصلاحات ترموستات یا باروستات را اعمال میکند؛ تکرار این فرآیند یک مسیر را میسازد که میانگینهای آن خواص ترمودینامیکی و دینامیکی را ارائه میدهد.
Clinical relevance
دینامیک مولکولی تغییرات ساختاری، رویدادهای اتصال، انتشار و فرآیندهای مجاور واکنش را در پروتئینها، غشاها و مواد آشکار میسازد و بینش مکانیکی را فراهم میکند که مکمل آزمایشها در بیوفیزیک و کشف دارو است.
History
پس از شبیهسازیهای کره سخت توسط آلدر و وینرایت (Alder and Wainwright) و مطالعه پتانسیل پیوسته آرگون مایع توسط رحمان (Rahman)، الگوریتمهای ورلت در سال 1967 و توسعه بعدی ترموستاتها، باروستاتها و الکترواستاتیکهای مبتنی بر اوالد (Ewald) دینامیک مولکولی را به عنوان یک رشته شبیهسازی بالغ تثبیت کرد.
Key figures
- Loup Verlet
- Berni Alder
- Aneesur Rahman
- Herman Berendsen
Related topics
Seminal works
- verlet1967
- frenkel2002
Frequently asked questions
- چه چیزی گام زمانی را در دینامیک مولکولی محدود میکند؟
- سریعترین حرکات، معمولاً ارتعاشات پیوندی شامل هیدروژن، حد را تعیین میکنند؛ محدود کردن این پیوندها امکان گام زمانی چند فمتوثانیه را فراهم میکند، در حالی که زمانهای کلی قابل دسترس به میکروثانیه یا بیشتر میرسد.
- آیا دینامیک مولکولی قطعی است؟
- انتگرالگیری با توجه به شرایط اولیه قطعی است، اما مسیرها آشفته هستند، بنابراین تفاوتهای کوچک به سرعت رشد میکنند؛ نتایج معنیدار از میانگینهای آماری به دست میآیند نه از مسیرهای فردی.