Dynamique moléculaire
La dynamique moléculaire simule la matière atome par atome, en intégrant les équations du mouvement de Newton sous l'influence des forces interatomiques pour observer l'évolution des liquides, des solides et des biomolécules et pour calculer leurs propriétés thermodynamiques et de transport.
Definition
La dynamique moléculaire est une méthode de simulation qui calcule la trajectoire d'un système de particules en interaction en intégrant numériquement leurs équations classiques du mouvement, à partir desquelles les propriétés d'équilibre et dynamiques sont obtenues comme des moyennes temporelles.
Scope
Ce domaine couvre la dynamique moléculaire classique : l'intégration temporelle des équations du mouvement avec des intégrateurs symplectiques, les potentiels interatomiques et les champs de force qui fournissent les forces, les thermostats et les barostats qui réalisent les ensembles statistiques, ainsi que l'approche Monte Carlo étroitement liée à la simulation moléculaire. Elle se concentre sur la méthode plutôt que sur un domaine d'application particulier.
Sub-topics
Core questions
- Comment les équations de Newton sont-elles intégrées de manière stable pour de nombreux atomes en interaction sur de longues périodes ?
- Comment les forces interatomiques sont-elles modélisées, des potentiels de paire simples aux champs de force détaillés ?
- Comment la température et la pression sont-elles contrôlées pour simuler un ensemble statistique choisi ?
- Comment les propriétés thermodynamiques et de transport sont-elles extraites d'une trajectoire simulée ?
Key theories
- Intégration de trajectoire
- La dynamique moléculaire fait progresser les positions et les vitesses avec des intégrateurs symplectiques réversibles dans le temps, tels que l'algorithme de Verlet à vitesse, qui conservent une énergie fantôme et maintiennent la stabilité des simulations longues.
- Champs de force et potentiels
- Les forces dérivent de fonctions d'énergie potentielle interatomique, allant du potentiel de paire de Lennard-Jones pour les fluides simples aux champs de force à plusieurs termes pour les molécules, dont la précision détermine le réalisme de la simulation.
- Ensembles via thermostats et barostats
- Le couplage du système à des thermostats et des barostats modifie la dynamique de sorte que les moyennes temporelles échantillonnent l'ensemble canonique ou l'ensemble isotherme-isobare plutôt que l'ensemble microcanonique de la dynamique newtonienne pure.
Clinical relevance
La dynamique moléculaire calcule les coefficients de diffusion, les viscosités, le comportement de phase et les énergies libres des fluides et des solides, et constitue un outil central en science des matériaux, en physique de la matière molle et en modélisation biomoléculaire des protéines et des membranes.
History
La dynamique moléculaire a débuté avec les simulations de sphères dures d'Alder et Wainwright à la fin des années 1950 et la simulation de l'argon liquide avec un potentiel continu par Rahman en 1964 ; des ordinateurs plus rapides et de meilleurs champs de force l'ont étendue de quelques centaines d'atomes à des millions et des liquides simples aux biomolécules.
Key figures
- Aneesur Rahman
- Berni Alder
- Daan Frenkel
- Michael P. Allen
Related topics
Seminal works
- rahman1964
- frenkel2002
Frequently asked questions
- En quoi la dynamique moléculaire diffère-t-elle de la simulation Monte Carlo ?
- La dynamique moléculaire suit la trajectoire en temps réel du système en intégrant les équations du mouvement ; elle fournit donc des propriétés dynamiques comme la diffusion. Monte Carlo, en revanche, échantillonne les configurations de manière stochastique et donne des moyennes d'équilibre mais pas de véritable évolution temporelle.
- Pourquoi les échelles de temps de simulation sont-elles si courtes ?
- Une intégration stable nécessite des pas de temps d'environ une femtoseconde pour résoudre les vibrations atomiques rapides ; ainsi, même des millions de pas ne couvrent que des nanosecondes à des microsecondes, c'est pourquoi le raccordement à des processus biologiques ou matériels plus longs représente un défi permanent.