Mô phỏng Động lực học Phân tử

Động lực học phân tử tích hợp các phương trình chuyển động của Newton cho một hệ thống các nguyên tử tương tác, tạo ra các quỹ đạo từ đó tính toán các tính chất cấu trúc, động lực học và nhiệt động lực học.

Definition

Một kỹ thuật mô phỏng truyền các vị trí và vận tốc nguyên tử theo thời gian dưới tác dụng của các lực từ một hàm năng lượng tiềm năng, tạo ra một quỹ đạo xác định thông qua không gian pha.

Scope

Bao gồm tích hợp số các phương trình chuyển động cổ điển, các bộ tích phân thuận nghịch theo thời gian như họ Verlet, kiểm soát nhiệt độ và áp suất thông qua bộ điều nhiệt (thermostat) và bộ điều áp (barostat), xử lý tĩnh điện tầm xa và biên tuần hoàn, cũng như trích xuất các tính chất cân bằng và vận chuyển từ các quỹ đạo.

Core questions

• Làm thế nào để tích hợp phương trình chuyển động của Newton một cách ổn định qua nhiều bước thời gian?
• Làm thế nào để kiểm soát nhiệt độ và áp suất để lấy mẫu một tập hợp nhiệt động lực học đã chọn?
• Làm thế nào để xử lý hiệu quả các tương tác tĩnh điện tầm xa?
• Làm thế nào để phục hồi các tính chất quan sát được từ một quỹ đạo hữu hạn?

Key theories

Tích phân Verlet

Một lược đồ đơn giản, thuận nghịch theo thời gian và giao hoán để tích hợp các phương trình chuyển động, bảo toàn năng lượng tốt trong các mô phỏng dài và là nền tảng của hầu hết các mã động lực học phân tử.

Lấy mẫu Ergodic

Theo giả thuyết ergodic, các giá trị trung bình theo thời gian dọc theo một quỹ đạo đủ dài bằng các giá trị trung bình của tập hợp, liên kết mô phỏng với các đại lượng quan sát được của cơ học thống kê.

Mechanisms

Mỗi bước tính toán lực từ gradient tiềm năng, đẩy các vị trí và vận tốc bằng bộ tích phân, và áp dụng các hiệu chỉnh của bộ điều nhiệt hoặc bộ điều áp; lặp lại quá trình này sẽ xây dựng một quỹ đạo mà các giá trị trung bình của nó cung cấp các tính chất nhiệt động lực học và động lực học.

Clinical relevance

Động lực học phân tử tiết lộ các thay đổi cấu hình, các sự kiện liên kết, sự khuếch tán và các quá trình liền kề phản ứng trong protein, màng và vật liệu, cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế bổ sung cho thực nghiệm trong lý sinh và khám phá thuốc.

History

Sau các mô phỏng hạt cứng của Alder và Wainwright và nghiên cứu tiềm năng liên tục của Rahman về argon lỏng, các thuật toán của Verlet năm 1967 và sự phát triển sau này của bộ điều nhiệt, bộ điều áp và tĩnh điện dựa trên Ewald đã thiết lập động lực học phân tử như một ngành mô phỏng trưởng thành.

Key figures

• Loup Verlet
• Berni Alder
• Aneesur Rahman
• Herman Berendsen

Seminal works

• verlet1967
• frenkel2002

Frequently asked questions

Điều gì giới hạn bước thời gian trong động lực học phân tử?

Các chuyển động nhanh nhất, thường là dao động liên kết liên quan đến hydro, đặt ra giới hạn; việc hạn chế các liên kết đó cho phép bước thời gian vài femto giây, trong khi tổng thời gian có thể đạt đến micro giây hoặc hơn.

Động lực học phân tử có phải là xác định không?

Quá trình tích hợp là xác định với các điều kiện ban đầu, nhưng các quỹ đạo là hỗn loạn, vì vậy những khác biệt nhỏ sẽ tăng lên nhanh chóng; kết quả có ý nghĩa đến từ các giá trị trung bình thống kê chứ không phải từ các đường dẫn riêng lẻ.