分子動力学
分子動力学は、原子ごとに物質をシミュレートし、原子間力の下でニュートンの運動方程式を統合することで、液体、固体、生体分子がどのように進化するかを観察し、それらの熱力学的および輸送特性を計算します。
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Definition
分子動力学は、相互作用する粒子の系の軌道を、それらの古典的な運動方程式を数値的に積分することによって計算するシミュレーション手法であり、そこから平衡特性および動的特性が時間平均として得られます。
Scope
この分野は、古典的な分子動力学を扱います。すなわち、シンプレクティック積分器を用いた運動方程式の時間積分、力を供給する原子間ポテンシャルと力場、統計的アンサンブルを実現するサーモスタットとバロスタット、および分子シミュレーションに密接に関連するモンテカルロ法です。特定の応用分野よりも方法論に焦点を当てています。
Sub-topics
Core questions
- 多数の相互作用する原子に対して、ニュートンの運動方程式を長期間にわたって安定して統合するにはどうすればよいですか？
- 単純な対ポテンシャルから詳細な力場まで、原子間力はどのようにモデル化されますか？
- 選択された統計的アンサンブルをシミュレートするために、温度と圧力はどのように制御されますか？
- シミュレートされた軌道から熱力学的および輸送特性はどのように抽出されますか？
Key theories
- 軌道積分
- 分子動力学は、速度Verletアルゴリズムのような時間反転可能なシンプレクティック積分器を用いて位置と速度を進めます。これにより、シャドウエネルギーが保存され、長時間のシミュレーションが安定に保たれます。
- 力場とポテンシャル
- 力は原子間ポテンシャルエネルギー関数から導出され、単純な流体に対するLennard-Jones対ポテンシャルから、分子に対する多項力場まで多岐にわたります。その精度がシミュレーションの現実性を決定します。
- サーモスタットとバロスタットによるアンサンブル
- 系をサーモスタットとバロスタットに結合することで、ダイナミクスが変更され、時間平均が裸のニュートン力学のミクロカノニカルアンサンブルではなく、カノニカルアンサンブルまたは等温等圧アンサンブルをサンプリングするようになります。
Clinical relevance
分子動力学は、流体および固体の拡散係数、粘度、相挙動、および自由エネルギーを計算し、材料科学、ソフトマター物理学、およびタンパク質や膜の生体分子モデリングにおける中心的なツールです。
History
分子動力学は、1950年代後半のAlderとWainwrightによるハードスフィアシミュレーションと、1964年のRahmanによる連続ポテンシャルを用いた液体アルゴンのシミュレーションから始まりました。より高速なコンピューターとより優れた力場により、数百原子から数百万原子へ、単純な液体から生体分子へとその適用範囲が拡大しました。
Key figures
- Aneesur Rahman
- Berni Alder
- Daan Frenkel
- Michael P. Allen
Related topics
Seminal works
- rahman1964
- frenkel2002
Frequently asked questions
- 分子動力学はモンテカルロシミュレーションとどのように異なりますか？
- 分子動力学は、運動方程式を積分することで系のリアルタイムの軌道を追跡するため、拡散などの動的特性を提供します。一方、モンテカルロは確率的に配置をサンプリングし、平衡平均を提供しますが、真の時間発展は提供しません。
- シミュレーションの時間スケールが非常に短いのはなぜですか？
- 安定した積分には、高速な原子振動を解決するために約フェムト秒の時間ステップが必要であり、そのため数百万ステップでもナノ秒からマイクロ秒しかカバーできません。これが、より長い生物学的または材料プロセスへの橋渡しが継続的な課題である理由です。