Atomlararası Potansiyeller ve Kuvvet Alanları
Bir moleküler dinamik simülasyonu, kullandığı kuvvetler kadar iyidir ve bu kuvvetler, atomların düzenlenmelerine bağlı olarak nasıl çekip ittiğini ve bağlandığını gösteren matematiksel modeller olan atomlararası potansiyellerden ve kuvvet alanlarından gelmektedir.
Tanım
Bir atomlararası potansiyel veya kuvvet alanı, atom sisteminin potansiyel enerjisini konumlarına göre veren bir fonksiyondur; bu fonksiyonun negatif gradyanı, bir moleküler dinamik veya Monte Carlo simülasyonunu yönlendirmek için kullanılan kuvvetleri sağlamaktadır.
Kapsam
Bu konu, klasik simülasyonda kuvvetleri sağlayan modelleri kapsamaktadır: Lennard-Jones gibi çift potansiyeller, gömülü atom metodu gibi çok cisimli metalik potansiyeller ve bağlı ve bağlı olmayan terimlere sahip moleküler kuvvet alanları. Potansiyellerin nasıl parametrelendirildiği, aktarılabilirliği ve uzun menzilli etkileşimlerin nasıl ele alındığı konularına değinilmektedir.
Temel sorular
- Lennard-Jones gibi çift potansiyeller, atomlar arasındaki itme ve çekmeyi nasıl yakalamaktadır?
- Metaller ve kovalent katılar neden ikili potansiyeller yerine çok cisimli potansiyellere ihtiyaç duymaktadır?
- Moleküler kuvvet alanları bağlı ve bağlı olmayan terimlere nasıl ayrıştırılmaktadır?
- Uzun menzilli elektrostatik etkileşimler verimli bir şekilde nasıl toplanmaktadır?
Temel kuramlar
- Çift potansiyeller
- Lennard-Jones potansiyeli, dik bir kısa menzilli itmeyi ve daha zayıf bir uzun menzilli çekmeyi iki parametre ile modelleyerek, soy gazların basit ama gerçekçi bir tanımını ve simülasyon için standart bir model sunmaktadır.
- Çok cisimli ve gömülü atom potansiyelleri
- Metallerde bir atomun enerjisi, tüm komşularından gelen yerel elektron yoğunluğuna bağlıdır; bu durum, ikili modellerin yeniden üretemediği gömülü atom metodu ve ilgili çok cisimli potansiyeller tarafından yakalanmaktadır.
- Moleküler kuvvet alanları
- Moleküller için kuvvet alanları, bağ gerilmesi, açı bükülmesi ve torsiyon için bağlı terimler ile bağlı olmayan van der Waals ve elektrostatik terimleri toplamaktadır; bunlar deney ve kuantum hesaplamalarına göre parametrelendirilmektedir.
Klinik önem
Potansiyel seçimi, bir simülasyonun yapıyı, faz davranışını, mekanik tepkiyi ve reaksiyon enerjilerini doğru bir şekilde yeniden üretip üretmediğini belirlemektedir; bu da kuvvet alanı geliştirmeyi malzeme modellemesi, yumuşak madde ve biyomoleküler simülasyon için merkezi hale getirmektedir.
Tarihçe
Lennard-Jones, çift potansiyelini 1920'lerde gaz hal denklemi verilerinden tanıtmıştır; gömülü atom metodu gibi daha zengin çok cisimli potansiyeller 1980'lerde metaller için ortaya çıkmış ve biyomoleküler kuvvet alanları paralel olarak geliştirilmiş, makine öğrenimi tabanlı potansiyeller ise daha yakın zamanda ortaya çıkmıştır.
Tartışmalar
- Kuvvet alanlarının aktarılabilirliği ve doğruluğu
- Belirli bir koşul kümesine uydurulan potansiyeller başka koşullara aktarılamayabilir ve basit, aktarılabilir formlar ile modern makine öğrenimi tabanlı olanlar da dahil olmak üzere yüksek doğrulukta ancak dar bir şekilde uydurulmuş potansiyeller arasında süregelen bir gerilim bulunmaktadır.
Öne çıkan isimler
- John Lennard-Jones
- Murray Daw
- Michael Baskes
İlgili konular
Temel eserler
- lennardjones1924
- daw1984
Sıkça sorulan sorular
- Neden tek bir potansiyel tüm malzemeleri tanımlayamaz?
- Metalik, iyonik, kovalent ve van der Waals gibi farklı bağ türleri niteliksel olarak farklı fiziksel özelliklere sahiptir, bu nedenle bir tür için ayarlanmış bir form genellikle diğeri için başarısız olmaya eğilimlidir. Potansiyeller bu nedenle belirli sistem ve koşul sınıfları için geliştirilmekte ve doğrulanmaktadır.
- Uzun menzilli elektrostatikler neden özel olarak ele alınmaktadır?
- Coulomb etkileşimleri yavaşça azalmaktadır ve artefaktlar olmadan basitçe kesilememektedir, bu nedenle Ewald toplamı ve ağ tabanlı varyantları gibi yöntemler, periyodik sınır koşulları altında bunları doğru ve verimli bir şekilde toplamak için kullanılmaktadır.