A molekuláris dinamikai módszer (MD-módszer) egy olyan módszer, amelyben a kölcsönható atomok vagy részecskék rendszerének időbeli fejlődését követik nyomon mozgásegyenleteik integrálásával [1] [2] [3]
A molekuladinamikai módszer akkor alkalmazható, ha egy atom (vagy részecske) De Broglie hullámhossza sokkal kisebb, mint az atomközi távolság .
Ezenkívül a klasszikus molekuláris dinamika nem alkalmazható könnyű atomokból, például héliumból vagy hidrogénből álló modellezési rendszerekre . Ráadásul alacsony hőmérsékleten a kvantumhatások válnak meghatározóvá, és az ilyen rendszerek figyelembevételéhez kvantumkémiai módszerek alkalmazása szükséges. Szükséges, hogy azok az időpontok, amikor a rendszer viselkedését figyelembe vesszük, nagyobbak legyenek, mint a vizsgált fizikai mennyiségek relaxációs ideje .
A klasszikus (összes atomos) molekuladinamika módszere lehetővé teszi a modern számítógépek segítségével több millió atomból álló rendszerek vizsgálatát több pikoszekundumos időközönként. Más megközelítések (nehézatomos, durvaszemcsés (durvaszemcsés [1] ) modellek) alkalmazása lehetővé teszi az integrációs lépés növelését és ezáltal a megfigyelésre rendelkezésre álló idő mikroszekundum nagyságrendű növelését. Az ilyen problémák megoldása egyre nagyobb számítási teljesítményt igényel, amellyel a szuperszámítógépek rendelkeznek .
A molekuláris dinamika fejlődése kétféleképpen zajlott. Az első, általában klasszikusnak nevezett (amikor az atomok pályáját számítják) meglehetősen hosszú múltra tekint vissza. Visszanyúlik a kétrészecske-szórás problémájához, ami analitikusan megoldható. Azonban, mint köztudott, még három részecske esetében is vannak akadályok, amelyek hátráltatják az analitikai megoldást. Példa erre az egyszerű kémiai reakció H + H 2 \u003d H 2 + H. Egy ilyen reakcióhoz Hirschfelder , Eyring , Topley 1936-ban megpróbált több lépést kiszámítani az egyik pálya mentén. 30 év telt el, mire egy ilyen számítás lehetősége lehetővé vált számítógépen. Később a klasszikus megközelítést félklasszikus és kvantumkémiai számításokkal erősítették meg azokon a területeken, ahol a kvantumhatások befolyása jelentőssé vált [4] . A molekuladinamikai módszer kidolgozásának második módja a rendszerek termodinamikai és dinamikai tulajdonságainak vizsgálata volt. Az út mögött meghúzódó ötletek van der Waals és Boltzmann munkásságáig nyúlnak vissza .
Számos kulcsfontosságú munka megemlítendő, amelyek meghatározták a molekuladinamikai módszer kidolgozását. A molekuláris dinamikai modellezésről szóló első munka 1957-ben jelent meg. Szerzői Alder és Waingwright [5] voltak . A munka célja egy kemény gömbrendszer fázisdiagramjának vizsgálata volt, különös tekintettel a szilárd test és a folyadék régióira. A kemény gömbök rendszerében a részecskék közvetlenül kölcsönhatásba lépnek az ütközéskor, és szabad részecskékként mozognak az ütközések között. A számításokat UNIVAC számítógépeken és IBM 704 számítógépeken végeztük .
A Brookhaven National Laboratory 1960-ban megjelent, Dynamics of radiation damage , JB Gibson , AN Goland , M.Milgram , GH Vineyard [6] cikke volt talán az első példa a folyamatos potenciálszimulációra. Az integrációs munkában a véges különbség módszerét alkalmaztuk . A számításokat IBM 704-en végezték, és egy lépés körülbelül egy percig tartott. A cikk a rézben a sugárzás okozta károsodások kialakulását vizsgálta. A munka témája az atomtámadás elleni védekezés problémáiból fakadt. Aneesur Rahman , az Argonne National Laboratory munkatársa a Lennard-Jones-potenciál felhasználásával tanulmányozta a folyékony argon tulajdonságait 1964 -es Correlation in the motion of atoms in liquid argon [7] című tanulmányában . A rendszer 864 atomból állt. eredményeket 3600 számítógépen kaptuk A számításokhoz használt programkód sok későbbi program alapját képezte.
Loup Verlet 1967-ben [8] kiszámította az argon fázisdiagramját a Lennard-Jones-potenciál felhasználásával , és modellezte a korrelációs függvényeket , hogy tesztelje a folyékony halmazállapot elméletét. Munkájában kidolgozott egy eljárást a számítási erőforrások megtakarítására, amelyet ma Verlet szomszédlista néven ismerünk , és egy új módszert javasolt a mozgásegyenletek numerikus integrálására .
A molekuladinamika módszere, amelyet eredetileg az elméleti fizikában fejlesztettek ki , széles körben elterjedt a kémiában , majd az 1970-es évektől a biokémiában és a biofizikában is . Fontos szerepet játszik a fehérje szerkezetének meghatározásában és tulajdonságainak finomításában (lásd még: krisztallográfia , NMR ). Az objektumok közötti kölcsönhatás leírható erőtérrel ( klasszikus molekuláris dinamika ), kvantumkémiai modellel , vagy a két előző elemeit tartalmazó vegyes elmélettel (QM/MM (kvantummechanika/molekuláris mechanika QMMM )
A biológiai molekulák dinamikájának modellezésére szolgáló legnépszerűbb szoftvercsomagok: AMBER , CHARMM (és a kereskedelmi verzió CHARMm ), GROMACS , GROMOS , LAMMPS , HOOMD-blue és NAMD .