Metoda molekulární dynamiky (MD metoda) je metoda, ve které je sledován časový vývoj systému interagujících atomů nebo částic integrací jejich pohybových rovnic [1] [2] [3]
Metoda molekulární dynamiky je použitelná, pokud je De Broglie vlnová délka atomu (nebo částice) mnohem menší než meziatomová vzdálenost .
Klasická molekulární dynamika také není použitelná pro modelování systémů sestávajících z lehkých atomů, jako je helium nebo vodík . Navíc při nízkých teplotách se kvantové efekty stávají rozhodujícími a pro uvažování o takových systémech je nutné použít kvantově chemické metody. Je nutné , aby časy , ve kterých se uvažuje chování systému , byly větší než relaxační čas studovaných fyzikálních veličin .
Metoda klasické (celoatomové) molekulární dynamiky umožňuje pomocí moderních počítačů uvažovat systémy skládající se z několika milionů atomů v časech řádu několika pikosekund. Použití dalších přístupů (heavy-atomic, coarse-grained (coarse-grained [1] ) modely) umožňuje zvýšit integrační krok a tím prodloužit čas dostupný pro pozorování až na řád mikrosekund. Řešení takových problémů stále více vyžaduje velký výpočetní výkon, který mají superpočítače .
Vývoj molekulární dynamiky probíhal dvěma způsoby. První, obvykle nazývaný klasický, (když se počítají trajektorie atomů) má poměrně dlouhou historii. Vrací se k problému dvoučásticového rozptylu, který lze řešit analyticky. Jak je však dobře známo, i pro tři částice existují překážky, které brání analytickému řešení. Příkladem je jednoduchá chemická reakce H + H 2 \u003d H 2 + H. Pro takovou reakci se Hirschfelder , Eyring , Topley v roce 1936 pokusili vypočítat několik kroků podél jedné z trajektorií. Bylo to 30 let, než byla možnost takového výpočtu možná na počítači. Později byl klasický přístup posílen semiklasickými a kvantově chemickými výpočty v těch oblastech, kde se vliv kvantových efektů stal významným [4] . Druhým způsobem rozvoje metody molekulové dynamiky bylo studium termodynamických a dynamických vlastností systémů. Myšlenky této cesty sahají až k práci van der Waals a Boltzmanna .
Je třeba poznamenat několik klíčových prací, které určovaly vývoj metody molekulární dynamiky. První práce o modelování molekulární dynamiky byla publikována v roce 1957. Jeho autory byli Alder a Waingwright [5] . Cílem práce bylo prozkoumat fázový diagram soustavy tvrdých koulí a zejména oblastí pevného tělesa a kapaliny. V systému tvrdých koulí částice interagují přímo při srážce a mezi srážkami se pohybují jako volné částice. Výpočty byly provedeny na počítačích UNIVAC a IBM 704 .
Článek Dynamika radiačního poškození , JB Gibson , AN Goland , M.Milgram , GH Vineyard [6] z Brookhaven National Laboratory a publikovaný v roce 1960 byl možná prvním příkladem simulace spojitého potenciálu. V práci pro integraci byla použita metoda konečných diferencí . Výpočty byly provedeny na IBM 704 a jeden krok trval asi minutu. Článek se zabýval tvorbou defektů v mědi způsobených radiačním poškozením. Tématem práce byla problematika ochrany před jaderným útokem.
Aneesur Rahman z Argonne National Laboratory studoval vlastnosti kapalného argonu pomocí Lennard-Jonesova potenciálu ve své práci z roku 1964 Korelace v pohybu atomů v kapalném argonu [7] . Systém se skládal z 864 atomů. byly získány na počítači 3600 Programový kód použitý pro výpočty tvořil základ mnoha následných programů.
Loup Verlet vypočítal v roce 1967 [8] fázový diagram argonu pomocí Lennard-Jonesova potenciálu a modeloval korelační funkce , aby otestoval teorii kapalného stavu. Ve své práci vyvinul postup pro úsporu výpočetních zdrojů, nyní známý jako seznam sousedů Verleta , a také navrhl novou metodu numerické integrace pohybových rovnic .
Metoda molekulární dynamiky, původně vyvinutá v teoretické fyzice , se rozšířila v chemii a od 70. let 20. století i v biochemii a biofyzice . Hraje důležitou roli při určování struktury proteinu a zpřesňování jeho vlastností (viz také krystalografie , NMR ). Interakce mezi objekty může být popsána silovým polem ( klasická molekulární dynamika ), kvantově chemickým modelem nebo smíšenou teorií obsahující prvky dvou předchozích (QM/MM (kvantová mechanika/molekulární mechanika QMMM )
Nejoblíbenější softwarové balíčky pro modelování dynamiky biologických molekul jsou: AMBER , CHARMM (a komerční verze CHARMm ), GROMACS , GROMOS , LAMMPS , HOOMD-blue a NAMD .