Simulasi melalui dinamika molekul terdiri dari teknik untuk menghitung keseimbangan dan sifat transpor dari sistem banyak benda klasik.
Mengingat sistem N-tubuh yang tidak memiliki solusi analitis, satu-satunya jalan keluar adalah solusi numerik.
Dasar untuk simulasi dinamika molekul adalah pengetahuan tentang persamaan gerak untuk sistem yang dipertimbangkan. Algoritme program dinamika molekul terdiri dari solusi numerik dari persamaan gerak ini, yang memberikan lintasan (koordinat dan momen terkonjugasi sebagai fungsi waktu) dari sistem yang dipelajari.
Dengan memilih langkah integrasi, resolusi temporal dan ekstensi jalur dapat disesuaikan dengan sumbu relaksasi temporal untuk proses dinamis. Dari lintasan, sifat kesetimbangan dan besaran dinamis dapat dihitung dalam kode untuk dinamika molekul.
Sebuah pertanyaan penting adalah hubungan antara sifat-sifat materi – apakah dalam keadaan padat, cair atau gas – dan interaksi antara atom atau molekul yang membentuk bahan ini.
Daripada mencoba untuk menyimpulkan perilaku mikroskopis langsung dari percobaan, metode dinamika molekul mencoba untuk mereproduksi perilaku menggunakan sistem caral.
Metode dinamika molekul didasarkan pada prinsip-prinsip berikut:
* Inti dan elektron diperlakukan sebagai partikel seperti atom
* Partikel tipe atom ini berbentuk bola (sinar diperoleh dari pengukuran atau secara teoritis) dan memiliki muatan cair (diperoleh dari teori).
* Partikel berinteraksi sebagai “mata air” dan interaksi tersebut diwakili oleh potensial klasik
* Interaksi ini harus ditentukan sebelumnya untuk kumpulan atom tertentu
* Interaksi menentukan distribusi spasial partikel dan energinya.
Model dinamika kimia molekuler menganggap atom sebagai bola dan ikatan sebagai pegas. Matematika deformasi pegas dapat digunakan untuk menggambarkan kemampuan tautan untuk “meregangkan”, “memutar”, dan “memutar”.
Tujuan dari dinamika kimia molekuler adalah untuk memprediksi energi yang terkait dengan konformasi tertentu dari sebuah molekul. Namun, energi dinamika molekul tidak memiliki arti besaran mutlak.
Hanya perbedaan energi antara dua atau lebih konformasi yang memiliki signifikansi fisik.
Persamaan untuk energi total dari sistem tertentu yang sedang dipelajari (kekuatan interaksi) bersama dengan data (parameter) yang diperlukan untuk menggambarkan perilaku berbagai jenis atom dan ikatan, disebut “medan gaya”
Mecaralkan sistem fisik
Bahan utama dalam simulasi adalah caral fisik. Untuk simulasi dinamika molekul, ini berarti memilih medan potensial atau gaya: fungsi V (r1,… rN) dari posisi inti, yang mewakili energi potensial sistem ketika atom disusun dalam konfigurasi tertentu.
Gaya-gaya tersebut kemudian disimpulkan sebagai gradien potensial terhadap gerakan atom, yaitu:
Pilihan paling sederhana untuk V adalah menuliskannya sebagai jumlah interaksi berpasangan.
Indeks penjumlahan kedua j> i , memberitahu kita untuk mempertimbangkan setiap pasangan hanya sekali.
Pilihan medan gaya sebagian besar tergantung pada sistem yang akan dipelajari dan sifat-sifatnya yang akan diselidiki. Di luar deskripsi halus getaran atom adalah relevan, konformasi makromolekul lebih bergantung pada putaran, tolakan, atraksi van der waals dan interaksi elektrostatik.
Optimasi Geometri Molekuler
Dengan menghitung energi untuk berbagai nilai koordinat dari sistem molekul tertentu tergantung pada medan gaya yang dikenakannya, permukaan energi potensial untuk itu dapat dieksplorasi.
Bergantung pada dimensi dan karakteristik sistem, permukaan akan menghadirkan sejumlah besar energi lokal minimum yang sesuai dengan titik-titik dalam ruang konfigurasi di mana semua gaya pada atom sistem seimbang.
Karena tingginya jumlah derajat kebebasan makromolekul biologis, eksplorasi lengkap permukaan energi multidimensi praktis tidak mungkin.
Salah satu cara untuk menjelajahi permukaan seperti itu adalah dengan meminimalkan energi potensial molekul.
Optimasi geometri adalah teknik yang berusaha menemukan himpunan koordinat yang meminimalkan energi potensial dari sistem yang diinginkan. Prosedur dasarnya terdiri dari berjalan di permukaan potensial ke arah di mana energi berkurang sehingga sistem dibawa ke energi lokal minimum.
Umumnya konfigurasi akhir, kemudian proses ini, tidak berbeda jauh dari yang awal.
Minimisasi daya hanya menggunakan sebagian kecil dari ruang pengaturan. Namun, dengan penyesuaian posisi atom, distorsi dalam ikatan kimia, sudut antar ikatan, dan kontak van der Waals dilonggarkan.
Minimisasi energi atau atomisasi geometri adalah proses interaktif yang dalam koordinat Cartesian, dapat diwakili oleh:
Di mana n adalah jumlah iterasi dan r i, n adalah kenaikan ke-n dalam koordinat atom i .
Ada berbagai cara untuk menentukan modulus dan arah langkah ( r i, n ), metode yang paling umum menggunakan turunan pertama dari fungsi energi potensial, metode divergen, sedangkan metode yang lebih canggih juga menggunakan turunan kedua untuk meningkatkan tingkat konvergensi.