Yandex.Metrica

Tuesday, October 4, 2011

Метод классической молекулярной динамики

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Метод молекулярной динамики (метод МД) — метод, в котором временная эволюция системы взаимодействующих атомов или частиц отслеживается интегрированием их уравнений движения [1] [2] [3]

Содержание

Основные положения

  • Для описания движения атомов или частиц применяется классическая механика. Закон движения частиц находят при помощи аналитической механики.
  • Силы межатомного взаимодействия можно представить в форме классических потенциальных сил (как градиент потенциальной энергии системы).
  • Точное знание траекторий движения частиц системы на больших промежутках времени не является необходимым для получения результатов макроскопического,(термодинамического) характера.
  • Наборы конфигураций, получаемые в ходе расчетов методом молекулярной динамики, распределены в соответствии с некоторой статистической функцией распределения, например отвечающей микроканоническому распределению.

Ограничения применимости метода

Метод молекулярной динамики применим, если длина волны Де Бройля атома (или частицы) много меньше чем межатомное расстояние.
Также классическая молекулярная динамика не применима для моделирования систем состоящих из легких атомов, таких как гелий или водород. Кроме того, при низких температурах квантовые эффекты становятся определяющими и для рассмотрения таких систем необходимо использовать квантовохимические методы. Необходимо, чтобы времена на которых рассматривается поведение системы были больше чем время релаксации исследуемых физических величин.

Временные и пространственные параметры исследуемых систем

Метод классической (полноатомной) молекулярной динамики позволяет с использованием современных ЭВМ рассматривать системы, состоящие из нескольких миллионов атомов на временах порядка нескольких пикосекунд. Применение других подходов (тяжело-атомные, крупно-зернистые (coarse-grained [1]) модели) позволяет увеличить шаг интегрирования и тем самым увеличить доступное для наблюдения время до порядка микросекунд.

История развития метода

Развитие молекулярной динамики шло двумя путями. Первый, обычно называемый классическим, (когда вычисляются траектории атомов) имеет довольно длительную историю. Он восходит к задаче двухчастичного рассеяния, которая может быть решена аналитически. Однако, как хорошо известно, даже уже для трех частиц появляются трудности, затрудняющие аналитическое решение. Примером может служить простая химическая реакция H + H2 = H2 + H. Для такой реакции Hirschfelder, Eyring, Topley в 1936 году провели попытку расчета нескольких шагов вдоль одной из траекторий. Это было за 30 лет до того, как возможности такого расчета стали возможны на компьютере. Позднее классический подход был подкреплен полуклассическими и квантовохимическими расчетами в тех областях, где влияние квантовых эффектов становилось значимым [4]. Вторым путем развития метода молекулярной динамики стало исследование термодинамических и динамических свойств систем. Идеи, лежащие в основу этого пути восходят к работам Ван-дер-Ваальса и Больцмана.
Следует отметить несколько ключевых работ, определивших развитие метода молекулярной динамики. Первая работа, посвященная моделированию методом молекулярной динамики, вышла в 1957 году. Её авторами были Alder и Waingwright [5]. Целью работы было исследовать фазовую диаграмму системы твердых сфер и в частности области твердого тела и жидкости. В системе твердых сфер частицы взаимодействуют непосредственно при столкновении и двигаются, как свободные частицы между соударениями. Вычисления проводились на компьютерах UNIVAC и на IBM 704 (англ.).
Статья Dynamics of radiation damage , J.B. Gibson, A. N. Goland, M.Milgram, G.H. Vineyard [6] выполненная в Брукхейвенской национальной лаборатории и появившаяся в 1960 году была возможно первым примером моделирования с непрерывным потенциалом. В работе для интегрирования использовался метод конечных разностей. Вычисления проводились на IBM 704 и один шаг занимал около минуты. В статье рассматривалось образование дефектов в меди, вызванных радиационным повреждением. Тема работы была обусловлена проблемами защиты от ядерного нападения. Эта одна из самых лучших работ по данной тематике!
Aneesur Rahman из Аргоннской национальной лаборатории в своей статье 1964 года Correlation in the motion of atoms in luquid argon [7] изучил свойства жидкого аргона, используя потенциал Леннарда-Джонса. Система состояла из 864 атомов. Результаты были получены на компьютере CDC 3600 (англ.). Программный код, использованный для расчетов, лег в основу многих последующих программ.
Loup Verlet вычислил в 1967 [8] году фазовую диаграмму аргона, используя потенциал Леннарда-Джонса и смоделировал корреляционные функции, чтобы проверить теорию жидкого состояния. В своей работе он разработал процедуру сохранения вычислительных ресурсов, ныне известную, как Verlet neighbor list, а также предложил новый метод численного интегрирования уравнений движения.

Применение

Изначально разработанный в теоретической физике, метод молекулярной динамики получил большое распространение в химии и, начиная с 1970х годов в биохимии и биофизике. Он играет важную роль в определении структуры белка и уточнении его свойств (см. также кристаллография, ЯМР). Взаимодействие между объектами может быть описано силовым полем (классическая молекулярная динамика), квантовохимической моделью или смешанной теорией, содержащей элементы двух предыдущих (QM/MM (quantum mechanics/molecular mechanics, QMMM (англ.)).
Наиболее популярными пакетами программного обеспечения для моделирования динамики биологических молекул являются: AMBER, CHARMM (и коммерческая версия CHARMm), GROMACS, GROMOS,Lammps и NAMD.

 Литература

  • J. A. McCammon, S. C. Harvey (1987) Dynamics of Proteins and Nucleic Acids. Cambridge University Press. ISBN 0-521-35652-0 (paperback); ISBN 0-521-30750-3 (hardback).
  • D. C. Rapaport (1996) The Art of Molecular Dynamics Simulation. ISBN 0-521-44561-2.
  • Daan Frenkel, Berend Smit (2001) Understanding Molecular Simulation. Academic Press. ISBN 0-12-267351-4.
  • Oren M. Becker, Alexander D. Mackerell Jr, Benoît Roux, Masakatsu Watanabe (2001) Computational Biochemistry and Biophysics. Marcel Dekker. ISBN 0-8247-0455-X.
  • Tamar Schlick (2002) Molecular Modeling and Simulation. Springer. ISBN 0-387-95404-X.

 Примечания

  1. 1. J.M. Haile, Molecular dynamics simulation, Wiley, 1992.
  2. M. P. Allen, D. J. D. C. Rapaport The Art of Molecular Dynamics Simulation, 1996.
  3. Tildesley Computer simulation of liquids. Oxford University Press, 1989.
  4. G.C Schatz, A Kopperman // J. Chem. Phys., v.62 , p.2502, (1975)
  5. B.J. Alder, T.E. Waingwright// J. Chem. Phys. v. 27, p.1208, (1957)
  6. J.B. Gibson, A. N. Goland, M.Milgram, G.H. Vineyard // Phys Rev, v.120, p.1229, (1960)
  7. A Rahman // Phys. Rev. v.136A, p.405, (1964)
  8. L. Verlet // Phys Rev, v.159, p.98, (1967)

 Внешние ссылки

No comments:

Blogspot Blogs 🕰️

My blogs

  1. Jigsaw Puzzle 🧩
  2. Fashioned Prints on Awesome Products 😵
  3. Math & Physics Tutor
  4. Good 🙅
  5. DrVita is Fake
  6. America's Views ✈
  7. ✌ TutorState 718-223-0228
  8. Optical Art - Optical illusions ✂✂✂
  9. ✡ Mountain Jews Wedding
  10. New York State Roadrunner Testosterones
  11. RastyrCom
  12. Физика ⚠️- Public Group
  13. Calculus Based Physics I
  14. Lenta Chel News ಊಊಊ
  15. Eugenia-2006
  16. Math, Physics, Statistics, Computer Science Tutor 📔
  17. Brooklyn Roads Lyrics 🌉
  18. Broadway NYC 🍎
  19. Hurried Activity ✌✌✌
  20. ⶌⶌⶌ Quick Road Trip Ideas
  21. Molecular Dynamics 🧬
  22. Gynecology ⚕️
  23. Toledo Photos 2013 ⛪️
  24. Mask Broadway ಊಊಊ
  25. Geometry, Trigonometry
  26. Federal Ukraine 🎄🇺🇦
  27. Private Tutor: Physics, Mathematics, Statistics. Brooklyn, Bay Ridge
  28. Purim ✡️
  29. NorilLag Норильлаг ❄️
  30. English Songs with Subtitles Песни с английскими субтитрами 🎵
  31. Kremlin PR Info 🪆
  32. Cordoba Pictures
  33. Broadway & 50th St 🏙️
  34. 347-307-7834 Chess School ♞♝♜♛♚♟♘♙♗♖♕♔
  35. New York
  36. Play Chess: 347-307-7834 ♞♝♜♛♚♟♘♙♗♖♕♔
  37. Kleinlife Chess Academy 347-307-7834 ♟️
  38. Физика
  39. Anti-Dictatura
  40. Glow in the Dark 👦🏿
  41. Optical Art 📀
  42. Chess Academy ♙♗♖♕ 347-307-7834
  43. General Astronomy 🔭
  44. Modern Prints on Awesome Products
  45. Rush Roadrunner Testosterone Appointment 🚘
  46. Barcelona Photos 2013
  47. E=mc² New York Physics Tutor: 718-223-0228
  48. Private Tutor 🔡
  49. Images for Madrid 🏙️
  50. E=mc² New York City Physics Tutors 🧲
  51. Men's Business Style 👔
  52. ☕ Drinking Games
  53. Near Me
  54. Philadelphia Chess Club: 347-307-7834 ♟️
  55. Norilsk City 🥶
  56. Русское оружие - Russian Weapons
  57. Seville Photos 🏛 NO8DO
  58. Chess Lessons: 347-307-7834
  59. Seville Pictures
  60. 347-307-7834 Chess Academy
  61. Tutor: Physics, Mathematics, Statistics 🔺
  62. Purim 🕍
  63. Антидиктатура 🗳️
  64. ⶌⶌⶌ Speedy Road Test Ny
  65. Shop of Psychedelic Prints on Amazing Products
  66. Physics Tutor: (347)770-1877
  67. Shoe Shine 🌟
  68. Trip to Las Vegas 2007
  69. ⶌⶌⶌ Fast Romantics
  70. Фотографии Барселоны
  71. ∰ PHYSICS OLYMPIADS 🧲
  72. T&P 📚🔨
  73. இ Elite Albums
  74. Chess Classes: 347-307-7834 ♟️
  75. Sandals Vacation 🌴
  76. V=⅓πd³ Brooklyn Math Tutor 🤖
  77. General Physics 🛰
  78. ⶌⶌⶌ Rush Roadrunner Testosterone NY
  79. Roadrunner Testosterone New York State 🗽
  80. Astronomy - Cosmology ☀️🌗🌘🌑🌒🌓🌔🌕...
  81. Chess Club: 347-307-7834
  82. Лето будет!
  83. 347-307-7834 Chess Academy in Kleinlife
  84. Play Chess: 347-307-7834 ♟️
  85. Science News SN
  86. Granada Photos
  87. Haircuts ✂️
  88. Chess Academy at Kleinlife:34...
  89. Girona Photos 🏠
  90. OpArt - Optical Illusions ಊಊಊ
  91. Science Posters 🧪
  92. Alite Album ❤️
  93. ☈ Bay Ridge
  94. Word of the Day
  95. Chess♙♗♖♕ 347-307-7834
  96. Bible Gateway 🕮
  97. New York State Roadrunner Testosterone
  98. Chess Academy: 347-307-7834
  99. Illusions ಊಊಊ
  100. Brooklyn Physics Tutor: (347)770-1877
  101. Calculus Based Physics
  102. ⶌⶌⶌ Roadrunner Testosterone Scheduling NY 🏴󠁵󠁳󠁮󠁹󠁿
  103. Balkars
  104. Shoe Shine Times Square
  105. Chess Academy in Kleinlife: 347-307-7834 ♞♝♜♛♚♟♘♙♗♖♕♔
  106. E=mc² Physics Olympiad 🧑‍🔬
  107. ✌ LuxLimCom
  108. Rockefeller Center
  109. ⶌⶌⶌ Roadrunner Testosterone New York City.
  110. Speedy Roadrunner Testosterone New York State
  111. Physics, Mathematics, Statistics
  112. Prints Shop
  113. Chess Academy: 347-307-7834 ♟️
  114. Astrophysics, Cosmology, and Astronomy ☀️
  115. Astronomy - Astrophysics 🔭
  116. Prints Shop Midtown East
  117. ∰ Physics Concepts Expansions
  118. Schedule Roadrunner Testosterone 😲
  119. Private Tutor:⚛️ Physics, Mathematics, Statistics Brooklyn, Bay Ridge
  120. Vintage Prints on Awesome Products
  121. Fast Roadrunner Testosterone
  122. LuxLim
  123. Environmental Science 🕰️
  124. 1627 Broadway - Shoe Shine NYC: (212) 307-1840
  125. History ✄✄✄