Metoda dinamicii moleculare (metoda MD) este o metodă în care evoluția temporală a unui sistem de atomi sau particule care interacționează este urmărită prin integrarea ecuațiilor lor de mișcare [1] [2] [3]
Metoda dinamicii moleculare este aplicabilă dacă lungimea de undă De Broglie a unui atom (sau particule) este mult mai mică decât distanța interatomică .
De asemenea, dinamica moleculară clasică nu este aplicabilă sistemelor de modelare constând din atomi de lumină, cum ar fi heliu sau hidrogen . În plus, la temperaturi scăzute, efectele cuantice devin decisive, iar pentru a lua în considerare astfel de sisteme, este necesar să se folosească metode chimice cuantice . Este necesar ca timpii la care se consideră comportamentul sistemului să fie mai mari decât timpul de relaxare a mărimilor fizice studiate .
Metoda dinamicii moleculare clasice (tot-atomi) face posibilă, folosind computerele moderne , să se ia în considerare sisteme formate din câteva milioane de atomi în momente de ordinul câtorva picosecunde. Utilizarea altor abordări (modele atomice grele, cu granulație grosieră (granulație grosieră [1] )) face posibilă creșterea etapei de integrare și, prin urmare, creșterea timpului disponibil pentru observare până la ordinul microsecundelor. Rezolvarea unor astfel de probleme necesită din ce în ce mai mult o putere de calcul mare, care este deținută de supercalculatoare .
Dezvoltarea dinamicii moleculare a decurs în două moduri. Primul, numit de obicei clasic, (când se calculează traiectoriile atomilor) are o istorie destul de lungă. Se întoarce la problema împrăștierii cu două particule, care poate fi rezolvată analitic. Cu toate acestea, după cum se știe, chiar și pentru trei particule există obstacole care împiedică soluția analitică. Un exemplu este reacția chimică simplă H + H 2 \u003d H 2 + H. Pentru o astfel de reacție , Hirschfelder , Eyring , Topley au încercat în 1936 să calculeze mai mulți pași de-a lungul uneia dintre traiectorii. Au trecut 30 de ani până când posibilitatea unui astfel de calcul a devenit posibilă pe un computer. Mai târziu, abordarea clasică a fost întărită prin calcule semiclasice și chimice cuantice în acele zone în care influența efectelor cuantice a devenit semnificativă [4] . A doua modalitate de dezvoltare a metodei dinamicii moleculare a fost studiul proprietăților termodinamice și dinamice ale sistemelor. Ideile din spatele acestei căi se întorc la lucrările lui van der Waals și Boltzmann .
Trebuie remarcate câteva lucrări cheie care au determinat dezvoltarea metodei dinamicii moleculare. Prima lucrare despre modelarea dinamicii moleculare a fost publicată în 1957. Autorii săi au fost Alder și Waingwright [5] . Scopul lucrării a fost de a investiga diagrama de fază a unui sistem de sfere dure și, în special, regiunile unui corp solid și a unui lichid. Într-un sistem de sfere dure, particulele interacționează direct la coliziune și se mișcă ca particulele libere între ciocniri. Calculele au fost efectuate pe calculatoare UNIVAC si calculatoare IBM 704 .
Articolul Dynamics of radiation damage , JB Gibson , AN Goland , M.Milgram , GH Vineyard [6] de la Brookhaven National Laboratory și publicat în 1960 a fost poate primul exemplu de simulare potențială continuă. În lucrarea de integrare a fost utilizată metoda diferențelor finite . Calculele au fost efectuate pe un IBM 704 și un pas a durat aproximativ un minut. Articolul a luat în considerare formarea de defecte în cupru cauzate de deteriorarea radiațiilor. Tema lucrării s-a datorat problemelor de protecție împotriva atacului nuclear.
Aneesur Rahman de la Laboratorul Național Argonne a studiat proprietățile argonului lichid folosind potențialul Lennard-Jones în lucrarea sa din 1964 Corelation in the motion of atomes in liquid argon [7] . Sistemul era format din 864 de atomi. au fost obținute pe un computer 3600 Codul programului utilizat pentru calcule a stat la baza multor programe ulterioare.
Loup Verlet a calculat în 1967 [8] diagrama de fază a argonului folosind potențialul Lennard-Jones și a modelat funcțiile de corelație pentru a testa teoria stării lichide. În munca sa, el a dezvoltat o procedură de economisire a resurselor de calcul, cunoscută acum sub numele de lista de vecini Verlet , și a propus, de asemenea, o nouă metodă pentru integrarea numerică a ecuațiilor de mișcare .
Metoda dinamicii moleculare, dezvoltată inițial în fizica teoretică , a devenit larg răspândită în chimie și, începând cu anii 1970, în biochimie și biofizică . Joacă un rol important în determinarea structurii unei proteine și în rafinarea proprietăților acesteia (vezi și cristalografia , RMN ). Interacțiunea dintre obiecte poate fi descrisă printr -un câmp de forță ( dinamică moleculară clasică ), un model chimic cuantic sau o teorie mixtă care conține elemente ale celor două anterioare (QM/MM (mecanica cuantică/mecanica moleculară QMMM )
Cele mai populare pachete software pentru modelarea dinamicii moleculelor biologice sunt: AMBER , CHARMM (și versiunea comercială CHARMm ), GROMACS , GROMOS , LAMMPS , HOOMD-blue și NAMD .