About MD - основы метода молекулярной динамики.

    Для расчетов молекулярной динамики применяются различные програмные пакеты, как то: GROMACS, Puma, CharMM, Amber, NAMD. В этой статье будет кратнко рассказываться о методе молекулярной динамики, все нижесказанное справедливо для любых реализаций МД. Редакция от 24.01.2011.

      GROMACS - это пакет, который представляет собой набор программ, предназначенных для расчета траекторий движения отдельных частей молекулы, аппроксимированной механической системой физических материальных точек, связанных набором сил.

    Алгоритм вычислений сводится к итерационному процессу, на каждом шаге которого:

1.    По имеющемуся набору координат материальных точек (ядер атомов) вычисляются значения сил, например, кулоновские, валентные и все прочие.

2.    Далее вычисляются значения ускорений для каждого центра, в соответствии со значением действующей результирующей силы и массы этого центра.

3.    Затем решаются уравнения движения в предположении, что силы и ускорения не меняются во времени. Координаты центров системы для некоего, как правило, очень незначительного, времени записываются в память. Это время называется шагом интегрирования. Новые координаты и скорости передаются на следующий шаг.

    Такая механистическая модель далека от идеала, но она достаточно адекватно описывает движения молекулярных структур, если достаточно точно вычислены силовые константы и шаг интегрирования не слишком велик.

     Молекулярно-динамические расчеты являются весьма ресурсоёмкими, в связи с чем размер исследуемых систем невелик. Поэтому особенно важной становится проблема построения такой границы системы, которая не вносила бы в её поведение заметных искажений. На настоящий момент наиболее адекватной представляется граница в виде т.н. периодических граничный условий. Исследуемая система окружается виртуальным параллелепипедом ("ячейкой"), границы которого любая частица систему может свободно пересекать. Но при пересечении грани, частица переносится на другую сторону системы (из координаты частицы вычитается поперечный размер ячейки). Т.о. система, с одной стороны, ограничена, с другой стороны граница представлена не "стенкой", а "продолжением" исследуемой системы — её копией.

    Необходимо ввести ещё одно понятие. Для ускорения расчетов, пренебрегают электростатическими и Ван-дер-Ваалсовыми взаимодействиями атомов, находящихся на большом расстоянии. Расстояние, начиная с которого взаимодействия считаются малыми и не учитываются называют "радиусом обрезания". Конкретная величина радиуса обрезания определяется пользователем.

    Макроскопические характеристики такой небольшой молекулярной системы сильно флуктуируют. Для поддержания среднего давления и температуры разработаны специальные алгоритмы, называемые баростатом и термостатом соответственно. Термостат вносит в систему тепловой шум, приближая распределение скоростей к нормальному Максвелловскому распределению для заданной температуры. Баростат изменяет объем ящика для создания давления, равного заданному. 

P.S. Если статья была вам полезна проголосуйте в опросе блога, этим вы скажите СПАСИБО Автору, также можно обсудить её на Форуме. 

Смотрите также, алгоритм действий для запуска моделирования в Gromacs.

Назад к оглавлению : руководство по Gromacs