ترموستاتها و آنسامبلهای آماری
دینامیک مولکولی نیوتنی خالص انرژی را حفظ میکند و آنسامبل میکروکانونیکال را نمونهبرداری میکند، اما آزمایشهای واقعی دما و فشار را ثابت نگه میدارند، بنابراین ترموستاتها و باروستاتها اضافه میشوند تا شبیهسازی آنسامبل آماری مورد نظر را نمونهبرداری کند.
Definition
ترموستات الگوریتمی است که به دینامیک مولکولی متصل میشود و دمای سیستم را کنترل میکند تا میانگینهای زمانی یک آنسامبل آماری انتخاب شده را نمونهبرداری کنند؛ باروستات نیز همین کار را برای فشار انجام میدهد.
Scope
این موضوع روشهایی را پوشش میدهد که دما و فشار را در دینامیک مولکولی کنترل میکنند: تغییر مقیاس سرعت و ترموستاتهای تصادفی، ترموستات قطعی نوز-هوور و زنجیرههای آن، و باروستاتها برای شبیهسازی فشار ثابت، همراه با آنسامبلهایی که آنها محقق میسازند، شامل میکروکانونیکال، کانونیکال و ایزوترمال-ایزوباریک.
Core questions
- چگونه افزودن یک ترموستات دینامیک میکروکانونیکال را به نمونهبرداری کانونیکال تغییر میدهد؟
- چرا ترموستات نوز-هوور برای آنسامبلهای صحیح به تغییر مقیاس ساده سرعت ترجیح داده میشود؟
- چگونه باروستاتها به جعبه شبیهسازی اجازه میدهند در فشار ثابت نوسان کند؟
- چگونه یک ترموستات میتواند خواص دینامیکی را در صورت اعمال بیش از حد قوی، مخدوش کند؟
Key theories
- نمونهبرداری کانونیکال و ترموستاتها
- کوپل کردن سیستم به یک حمام حرارتی، از طریق برخوردهای تصادفی یا تغییر مقیاس، انرژی جنبشی میانگین زمانی را به دمای هدف میرساند تا مسیر به جای انرژی ثابت، آنسامبل کانونیکال را نمونهبرداری کند.
- دینامیک نوز-هوور
- ترموستات نوز-هوور یک متغیر دینامیکی اضافی را معرفی میکند که نشاندهنده حمام حرارتی است و معادلات قطعی و برگشتپذیر زمانی را ارائه میدهد که مسیر آنها به اثبات میرساند که توزیع کانونیکال را نمونهبرداری میکند.
- باروستاتها و آنسامبل ایزوترمال-ایزوباریک
- باروستاتها با کوپل شدن به یک حمام فشار، به حجم شبیهسازی اجازه نوسان میدهند، به طوری که، همراه با یک ترموستات، دینامیک آنسامبل دمای ثابت و فشار ثابت آزمایشهای معمول را نمونهبرداری میکند.
Clinical relevance
کنترل صحیح آنسامبل برای محاسبه انرژیهای آزاد، رفتار فاز و خواص پاسخ تحت شرایط مرتبط با آزمایش، ضروری است و یک رویه استاندارد در شبیهسازیهای مواد، ماده نرم و بیومولکولی است.
History
دینامیک مولکولی دمای ثابت در طول دهه ۱۹۸۰ توسعه یافت، با ترموستات و باروستات تصادفی آندرسن، فرمولبندی سیستم گسترشیافته نوز در سال ۱۹۸۴ و بازفرمولبندی هوور در سال ۱۹۸۵ که مسیر قطعی و استاندارد کنونی را برای نمونهبرداری کانونیکال فراهم کردند.
Debates
- ارگودیسیته ترموستاتهای قطعی
- ترموستاتهای نوز-هوور منفرد ممکن است برای سیستمهای کوچک یا صلب ارگودیک نباشند و توزیع اشتباهی را نمونهبرداری کنند؛ زنجیرههای ترموستات و جایگزینهای تصادفی برای رفع این مشکل معرفی شدند و بهترین انتخاب همچنان وابسته به سیستم است.
Key figures
- Shuichi Nose
- William G. Hoover
- Hans Andersen
Related topics
Seminal works
- nose1984
- hoover1985
Frequently asked questions
- چرا فقط سرعتها را برای تثبیت دما تغییر مقیاس نمیدهیم؟
- تغییر مقیاس ساده سرعت، انرژی جنبشی را ثابت نگه میدارد اما نوسانات کانونیکال مناسب را بازتولید نمیکند، بنابراین آنسامبل اشتباهی را نمونهبرداری میکند. روشهایی مانند نوز-هوور یا ترموستاتهای تصادفی اجازه نوسانات دمایی صحیح را میدهند در حالی که میانگین را در هدف نگه میدارند.
- آیا ترموستات میتواند بر دینامیک مورد مطالعه تأثیر بگذارد؟
- بله. یک ترموستات با کوپلینگ قوی حرکت طبیعی را مختل میکند و میتواند خواص انتقال را سوگیری دهد، بنابراین هنگامی که دینامیک دقیق مورد نیاز است، از کوپلینگ ضعیف یا ترموستاتی که فقط برای کنترل تعادل استفاده میشود، استفاده میگردد.