شبیه سازی دینامیک مولکولی

نوعی از دینامیک مولکولی که با استفاده از کامپیوتر می تواند خواص مجموعه ای از مولکول ها در یک سیستم را بر پایه ساختار تشکیل دهنده آن ها و همچنین برهمکنش هایی که بین این مولکول ها اتفاق می افتد، به دست آورد، به نام شبیه سازی دینامیک مولکولی است. در این روش با به کار بردن خواص میکروسکوپی می توان به خواص ماکروسکوپی آن ها دست یافت.

در این سیستم، اجازه ی بر همکنش به مولکول ها بر طبق یک سری شرایط خاص و در مدت زمان مشخص داده می شود. در این فرآیند، معادله ای که مورد استفاده برای اتم های سیستم است، معادله ی حرکت نیوتن است. اجزای تشکیل دهنده این سیستم های پیچیده بسیار زیاد است به همین دلیل برای تعیین خواص آن ها از این روش های عددی استفاده می شود.

در شبیه سازی دینامیک مولکولی با وجود وابسته بودن به کامپیوتر، پیشرفت علوم فیزیکی چون نسبیت و مکانیک کوانتوم نیز مورد بررسی قرار می گیرد. موضوع نسبیت به انتقال اطلاعات در سرعت هایی که بیشتر از سرعت نور هستند پرداخته و اما اصل عدم قطعیت در مکانیک کوانتوم بررسی و توضیح داده می شود.

انجام شبیه سازی دینامیک مولکولی

رفتار یک سری از مولکول های بزرگ که پروتئین ها نمونه ای از آن هاست، می تواند در یک بازه و گستره زمانی معین شده و به کمک گرفتن از کامپیوتر، انجام شود. معادلاتی که در این شبیه سازی استفاده می شود، معادلات حرکت نیوتن و توابع انرژی پتانسیل است. در طول زمان شبیه سازی، روند تغییرات ساختاری ایجاد شده و چگونگی ایجاد این تغییرات، در دینامیک سیستم تعریف می شود. حالت حجم، دما و تعداد اتم های ثابت سیستم از جمله شرایطی هستند که شبیه سازی دینامیک مولکولی در آن ها بررسی و انجام می شود.

مراحل شبیه سازی دینامیک مولکولی

مرحله آغاز

در مرحله شروع، یک ساختار اولیه به عنوان نقطه آغاز کننده در زمان صفر در نظر گرفته می شود. ساختار اولیه ای که به طور معمول انتخاب می شود، ماکرومولکول های زیستی هستند که ساختار آن ها با روش های طیف نگاری و یا کریستالوگرافی معین شده اند. روش دیگری که برای تعیین ساختار ماکرومولکول ها استفاده می شود، روش مدل سازی است. چون این مرحله تعیین کننده کیفیت فرآیند شبیه سازی دینامیک مولکولی است، بسیار اهمیت دارد.

اولین عملی که انجام می شود، به حداقل رساندن انرژی ساختار است. به این ترتیب که ساختارهای با انرژی زیاد که در نتیجه ساختارهای با برهمکنش های واندروالسی در موقعیت نامناسب هستند، کنار گذاشته می شود. این فرآیند باید در یک محیط آبی با افزودن آب به ماکرومولکول ها انجام شود.

زیاد کردن دمای سیستم

به شکل تصادفی است که سرعت های آغازین برای هر کدام از اتم هایی که در یک سیستم وجود دارد، در دمای پایین، مشخص و معین می شود. در این جا معادلاتی که به کار برده می شوند، حرکت نیوتن بوده، حرکت سیستم آغاز شود. این جاست که شبیه سازی دینامیک مولکولی آغاز می شود. سرعت های ابتدایی در دمای پایین و سرعت های بعدی در دماهای بالاتر مشخص می شوند. این کار ادامه پیدا می کند تا دمای سیستم به حدی که مد نظر است برسد.

مرحله متعادل سازی شبیه سازی

شبیه سازی در شرایط NPT در همان شرایط دمای مورد نظر ادامه پیدا می کند. در این حالات، رفتار سیستم مورد نظر از لحاظ ساختار، دما، فشار و انرژی، تنظیم و کنترل می شود. اگر پایداری در رابطه با رفتار سیستم نسبت به زمان، ایجاد شود، تعادل برقرار می شود.

مرحله تولید

تایید برقراری تعادل سیستم توسط تغییرات انرژی کل سیستم نسبت به زمان، انجام می شود. بعد از این مرحله است که تولید ساختار جدید آغاز می شود. تشکیل ساختار جدید در طول زمانی مشخص آغاز می شود که میزان این زمان می تواند بین چند صد پیکو ثانیه تا چندین نانو ثانیه باشد. در این مدت زمان می توان تولید خواص ترمودینامیکی و ساختاری را با محاسبه به دست آورد.

معادلات نیوتن در شبیه سازی دینامیک مولکولی برای تمام ذراتی که در این سیستم وجود دارند، محاسبه می شود. تابع پتانسیل نیز تابعی است که نیروهای مورد نیاز را برای حل کردن معادلات مذکور را به دست می آورد. مطالعه سیستم در یک بازه زمانی مشخص و در یک دما و فشار ثابت انجام می شود. خروجی سیستم، موقعیت ذرات را نسبت به زمان نشان می دهد که مسیر نامیده می شود. پس موقعیت در لحظه بعد قابل پیش بینی و سپس تعادل در سیستم برقرار می شود. خواص ماکروسکوپی با محاسبه میانگین مسیر سیستم به دست می آید.