جستجو در سایت : عنوان یا موضوع مورد نظر خود را در کادر زیر وارد کنید و enter بزنید

Loading
09354382544


شبیه سازی دینامیک مولکولی حرکت مولکول های منفرد را در مولکول های گاز، مایع و جامد محاسبه می کند. مفهوم کلیدی در اینجا «حرکت» است، که تغییر موقعیت، سرعت و جهت مولکول ها را نسبت به زمان توصیف می کند. در واقع شبیه سازی دینامیک مولکولی روشی برای مدل سازی میکروسکپی با جزئیات مفصل در سطح مولکولی است. طبیعت ماده را باید در ساختار و حرکت اجزاء تشکیل دهنده آن جستجو کرده و دینامیک در حل مسئله N ذره ای نهفته است. این مسئله N ذره ای کلاسیکی فاقد یک حل تحلیلی است و حل عددی تنها راهی است که باقی می ماند. امروزه روش دینامیک مولکولی (MD) کاربردهای فراوانی در فیزیک، شیمی، بیوشیمی، مهندسی مواد و سایر شاخه‌های علوم و مهندسی پیدا کرده است.
شبیه سازی مولکولی دربرگیرنده دو روش محاسباتی مونت کارلو و دینامیک مولکولی می باشد که به این دو روش مکانیک آماری محاسباتی نیز گفته می شود. در هر دو روش با بکارگیری یک مدل مولکولی مناسب که همان انرژی پتانسیل بین مولکولی است، خواص ماکروسکوپی ماده با انجام محاسبات رایانه ای و بدست آوردن مسیرهای مولکولی قابل محاسبه می باشد. بنابراین نتایج حاصل از شبیه سازی مولکولی به نوع مدل مولکولی مورد استفاده وابسته است. از طرف دیگر با مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی با نتایج تجربی می توان دقت مدل مولکولی بکار رفته را برای سیستم مورد مطالعه تعیین نمود. روشهای شبیه سازی مونت-کارلو و دینامیک را برای محاسبه طیف وسیعی از خواص ترموفیزیکی سیستم های شامل مولکول کوچک و بزرگ می توان بکار برد. در مورد مولکول های بلند زنجیر در پلیمر ها، روش-های دینامیک مولکولی بسیار پیچیده می شوند و به همین دلیل در متون شیمی مثال های اندکی از روشهای شبیه سازی دینامیک مولکولی در مورد این سیستم ها یافت می شود.
روشهای مونت کارلو دارای این پیچیدگی ها نبوده و کاربرد آنها برای این سیستم ها ساده تر است. شبیه سازی های اولیه تنها مولکول های منفرد را در خلاء در نظر می گرفت اما بعد از گذشت مدتی، شبیه سازی های واقعی تر و منطبق تر با شرایط سیستم های بیولوژیکی بکار گرفته شد. شبیه سازی های جدید در مدت زمان های متعادل تری انجام می شوند که حداقل شامل چند ده نانوثانیه می باشد. اولین شبیه سازی MD در حد میکروثانیه در سال ١٩٩٨ گزارش شد.

اهداف دینامیک ملکولی

شبیه سازی های کامپیوتری به عنوان پلی بین مقیاس های زمانی و جهان ماکروسکوپی آزمایشگاه عمل می کند. پیش بینی ها به اندازه ای دقیق است که می توان آن را به اندازه ای که دوست داریم با صحت به دست آوریم. از جهت دیگری هم شبیه سازی به عنوان پل عمل می کند: پلی بین تئوری و تجربه. می توان یک تئوری را با هدایت شبیه سازی با همان مدل آزمایش کنیم. همچنین ممکن است مدل را توسط مقایسه با نتایج تجربی مورد آزمایش قرار دهیم. ممکن است شبیه سازی های کامپیوتری انجام دهیم که در آزمایشگاه غیر ممکن و مشکل است. به عنوان مثال کار در دما وفشار بی نهایت.
ما شبیه سازی های دینامیک ملکولی را به امید فهم خواص مجموعه های ملکولی به صورت ساختارشان و بر هم کنش های میکروسکوپی بین آن ها انجام می دهیم. این روش به عنوان مکملی برای آزمایشات تجربی است و ما را قادر می سازد تا چیز های جدید یاد بگیریم، مسایلی که نمی توان به روش های دیگر به آن دست یافت. دو خانواده ی اصلی روش های شبیه سازی دینامیک ملکولی و مونت کارلو می باشد. علاوه بر این محدوده ی کاملی از روش های هیبریدی وجود دارد که ویژگی های این دو را با هم ترکیب می کند. مزیت MD به MC این است که مسیری برای خواص دینامیکی سیستم به ما می دهد: ضرایب انتقال، پاسخ وابسته به زمان به اختلالات و خواص طیفی.

مکانیک آماری، دینامیک ملکولی(MD) و مبانی آن

شبیه سازی دینامیک ملکولی اطلاعاتی در سطح میکروسکوپی ایجاد می کند که شامل موقعیت اتمی و سرعت ها است. به عنوان مثال برای محاسبه ی انرژی آزاد پیوندی داروی خاص یا برای آزمایش انرژی و مکانیسم تغییر کنفورماسیون به کار می رود. ارتباط بین شبیه سازی میکروسکوپی و خواص ماکروسکوپی از طریق مکانیک آماری ایجاد می شود که که عبارت های ریاضی سختی ایجاد می کند که خواص ماکروسکوپی را به توزیع و حرکت اتم ها و ملکول های سیتم N جزیی ربط می دهد. شبیه سازی دینامیک ملکولی روشی برای حل معادله حرکت ذرات است و این فرمول های ریاضی را ارزیابی می کند. با شبیه سازی دینامیک ملکولی می توان هم خواص ترمودینامیکی و هم پدیده ی وابسته به زمان را مورد مطالعه قرار داد.
دینامیک های مولکولی می تواند در تحقیقات گسترده ای شامل بیوشیمی، بیوفیزیک و بیوتکنولوژی به کار گرفته شود. آنزیم شناسی و بیولوژی مولکولی نیز در اینٕ مقوله گنجانده می شود. در شبیه سازی MD ویژگی های ترمودینامیکی و سینتیکی سیستم شبیه-سازی شده مورد توجه می باشد. این مورد درک جنبه های متفاوت دینامیک ساختارهای بیو-مولکولی را بسط می دهد و شناخت و نحوه عملکرد آنها را نیز ممکن می سازد. با وجود این، وقتی MD به طور منفرد بکار گرفته می شود کاربرد محدود پیدا می کند. در شبیه سازی ساختار MD وابسته به زمان، اطلاعات تنها در سطح موقعیت اتمی بکار گرفته می شود. برای بدست آوردن ویژگی های ماکروسکوپیک که واقعا مورد توجه می باشد، استفاده از مکانیک-های آماری که به شبیه سازی میکروسکوپیک ربط دارد، شایع است. مکانیک های آماری چارچوبی قوی از بیانات ریاضی را ارائه می کند که به توزیع و حرکت اتم ها و مولکولها ربط دارد.
یک شبیه سازی دینامیک مولکولی در هر گام زمانی که به جلو می رود برای تعداد N ذره N٦ مقدار برای مختصات و اندازه حرکت ذرات تولید می کند. یک شبیه سازی، هزارها و گاهی میلیون‌ها گام زمانی به جلو می رود. بنابراین با تعداد بسیار زیادی عدد سروکار داریم. یک راه کسب اطلاعات و استفاده از آنها مفهوم «مسیر فضای فاز» است. وظیفه اصلی شبیه‌سازی دینامیک مولکولی تولید مسیرهای فضای فاز ذرات با استفاده از معادلات حرکت است.

پشتیبانی