Molecular dynamics method (MD-metoden) är en metod där den tidsmässiga utvecklingen av ett system av interagerande atomer eller partiklar spåras genom att integrera deras rörelseekvationer [1] [2] [3]
Metoden för molekylär dynamik är tillämplig om De Broglie-våglängden för en atom (eller partikel) är mycket mindre än det interatomära avståndet .
Klassisk molekylär dynamik är inte heller tillämplig på modelleringssystem som består av lätta atomer som helium eller väte . Vid låga temperaturer blir dessutom kvanteffekter avgörande, och för att överväga sådana system är det nödvändigt att använda kvantkemiska metoder. Det är nödvändigt att de tider då systemets beteende anses vara större än avslappningstiden för de studerade fysiska storheterna .
Metoden för klassisk (all-atom) molekylär dynamik gör det möjligt att, med hjälp av moderna datorer , överväga system som består av flera miljoner atomer vid tidpunkter i storleksordningen flera pikosekunder. Användningen av andra tillvägagångssätt (tungatomära, grovkorniga (grovkorniga [1] ) modeller) gör det möjligt att öka integrationssteget och därmed öka den tillgängliga tiden för observation upp till storleksordningen mikrosekunder. Att lösa sådana problem kräver i allt högre grad stor datorkraft, som ägs av superdatorer .
Utvecklingen av molekylär dynamik fortsatte på två sätt. Den första, vanligtvis kallad klassisk, (när atomernas banor beräknas) har en ganska lång historia. Det går tillbaka till problemet med tvåpartikelspridning, som kan lösas analytiskt. Men som bekant finns det även för tre partiklar hinder som hindrar den analytiska lösningen. Ett exempel är den enkla kemiska reaktionen H + H 2 \u003d H 2 + H. För en sådan reaktion försökte Hirschfelder , Eyring , Topley 1936 att beräkna flera steg längs en av banorna. Det dröjde 30 år innan möjligheten till en sådan beräkning blev möjlig på en dator. Senare förstärktes det klassiska tillvägagångssättet av semiklassiska och kvantkemiska beräkningar i de områden där inflytandet av kvanteffekter blev betydande [4] . Det andra sättet att utveckla metoden för molekylär dynamik var studiet av systemens termodynamiska och dynamiska egenskaper. Idéerna bakom denna väg går tillbaka till van der Waals och Boltzmanns arbete .
Flera nyckelarbeten som avgjorde utvecklingen av metoden molekylär dynamik bör noteras. Det första arbetet om modellering av molekylär dynamik publicerades 1957. Dess författare var Alder och Waingwright [5] . Syftet med arbetet var att undersöka fasdiagrammet för ett system av hårda sfärer och i synnerhet regionerna av en fast kropp och en vätska. I ett system av hårda sfärer interagerar partiklar direkt vid kollision och rör sig som fria partiklar mellan kollisioner. Beräkningarna utfördes på UNIVAC -datorer och IBM 704-datorer .
Artikeln Dynamics of radiation damage , JB Gibson , AN Goland , M.Milgram , GH Vineyard [6] från Brookhaven National Laboratory och publicerad 1960 var kanske det första exemplet på kontinuerlig potentialsimulering. I arbetet för integration användes finita differensmetoden . Beräkningarna utfördes på en IBM 704 och ett steg tog ungefär en minut. Artikeln övervägde bildandet av defekter i koppar orsakade av strålningsskador. Temat för arbetet berodde på problemen med skydd mot kärnvapenangrepp.
Aneesur Rahman från Argonne National Laboratory studerade egenskaperna hos flytande argon med hjälp av Lennard-Jones-potentialen i sin uppsats 1964 Correlation in the motion of atoms in flytande argon [7] . Systemet bestod av 864 atomer. erhölls på en 3600 -dator Programkoden som användes för beräkningarna låg till grund för många efterföljande program.
Loup Verlet beräknade 1967 [8] fasdiagrammet för argon med hjälp av Lennard-Jones potential och modellerade korrelationsfunktionerna för att testa teorin om det flytande tillståndet. I sitt arbete utvecklade han en procedur för att spara beräkningsresurser, nu känd som Verlet grannlistan , och föreslog också en ny metod för numerisk integration av rörelseekvationer .
Metoden för molekylär dynamik, som ursprungligen utvecklades inom teoretisk fysik , har blivit utbredd inom kemi och sedan 1970-talet inom biokemi och biofysik . Det spelar en viktig roll för att bestämma strukturen av ett protein och förfina dess egenskaper (se även kristallografi , NMR ). Interaktionen mellan objekt kan beskrivas av ett kraftfält ( klassisk molekylär dynamik ), en kvantkemisk modell eller en blandad teori som innehåller element från de två föregående (QM/MM (kvantmekanik/molekylär mekanik QMMM )
De mest populära mjukvarupaketen för att modellera dynamiken hos biologiska molekyler är: AMBER , CHARMM (och den kommersiella versionen CHARMm ), GROMACS , GROMOS , LAMMPS , HOOMD-blue och NAMD .