دانلود مقاله در مورد شبيه سازي مولكولي
دسته بندي :
مقاله »
مقالات فارسی مختلف
لینک دانلود و خرید پایین توضیحات
دسته بندی : وورد
نوع فایل : word (..doc) ( قابل ويرايش و آماده پرينت )
تعداد صفحه : 41 صفحه
قسمتی از متن word (..doc) :
2
مباني شبيه سازي ديناميك مولكولي
شبيه سازي مولكولي به روشهايي گفته ميشود كه با در نظر گرفتن مولكولهاي يك سيستم و مدل بر هم كنش آنها و محاسبه موقعيتها و سرعتهاي آن ذرات در هر لحظه از زمان و استفاده از روابط مكانيك آماري خواص ماكروسكوپي سيستم را محاسبه ميكند. شبيه سازيهاي كامپيوتري نقش ارزشمندي در پاسخ دقيق به مسائل آماري دارند كه فقط بوسيله روشهاي تقريبي قابل حل هستند. بدين ترتيب شبيه سازي كامپيوتري روشي براي آزمايش نظريههاي مختلف مكانيك آماري است علاوه بر اين نتايج شبيه سازيهاي كامپيوتري را ميتوان در حد نتايج آزمايشهاي واقعي دانست.
روش شبيه سازي ملكولي به عوض تلاشي جهت استنتاج رفتار ميكروسكوپي از مشاهدات آزمايشگاهي، ديدگاه سازندهاي را دنبال ميكند كه در آن سعي ميشود با استفاده از سيستمهاي مدل رفتار ميكروسكوپي بازسازي شود. بدين ترتيب اين گونه روشها ميتوانند به منظور آزمايش مدلهاي ارائه شده مولكولي به كار روند و يا با استفاده از مدلهاي تاييد شده براي محاسبه خواص مدل مورد استفاده قرار گيرند. اين نقش دوگانه شبيه سازي به صورت پلي ميان مدلها و پيش بينيهاي نظري از يك سو و مدلها و نتايج آزمايشگاهي از سوي ديگر است. تفاوت بين شبيه سازي كامپيوتري و ساير محاسبات در نحوه استفاده از كامپيوتر است. در شبيه سازي، كامپيوتر تنها يك محاسبهگر نيست بلكه آزمايشگاهي مجازي كه در آن يك سيستم بررسي ميشود .
شكل 2- 1- صفحه 5 كتاب آن
به همين دليل از تكنيكهاي شبيه سازي كامپيوتري به عنوان آزمايشهاي كامپيوتري نيز ياد ميشود. شبيه سازي كامپيوتري ارتباط مستقيمي بين جزئيات ميكروسكوپي يك سيستم (جرم اتمها، بر هم كنشهاي بين آنها، شكل هندسي مولكولها و .....) و خواص ماكروسكوپي قابل اندازهگيري (معادله حالت، ضرايب انتقالي، پارامترهاي نظم ساختاري و ....) برقرار ميسازد كه اين كميتها علاوه بر اهميت آكادميك در صنعت نيز از اهميت خاصي برخوردار مي‌باشند. انجام اين آزمايشات تحت شرايط دما و فشار بسيار بالا ميتواند با دشواري همراه باشد. در صورتي كه انجام اين گونه آزمايشات بوسيله شبيه ساز كامپيوتري كار بسيار سادهتري است. تعيين جزئيات ساختار و حركت مولكولها به عنوان مثال در واكنشهاي كاتاليستي ناهمگن، انتقال يون سريع يا واكنشهاي آنزيمي بوسيله روشهاي آزمايشگاهي بسيار سخت است در حالي كه به سادگي ميتوان اين نتايج را از شبيه سازي كامپيوتري استخراج نمود. سرعت زياد بعضي از رخدادها در واكنش
2
مباني شبيه سازي ديناميك مولكولي
ها يا سيستمهاي شيميايي هر چند كه تشخيص آزمايشگاهي آنها را با مشكل روبرو ميكند. در شبيه سازي مولكول يك نقطه سادگي محسوب ميگردد. يعني رخدادهايي با سرعت بيشتر با سهولت بيشتري شبيه سازي ميگردد. گستره وسيعي از پديدههاي ميتواند بوسيله شبيه سازي كامپيوتري مورد مطالعه قرار گيرد.
3- 1- شبيه سازي تعييني و تصادفي
يك شبيه سازي در مقياس مولكولي از سه قسمت اصلي تشكيل شده است:
الف) ساختن مدل مولكولي
ب) محاسبه مسيرهاي مولكولي
ج) تجزيه و تحليل اين مسيرها براي بدست آوردن مقادير عددي خواص مورد نظر
وظيفه واقعي شبيه سازي مولكولي قسمت دوم است. بر اساس شيوه محاسبه موقعيتهاي مولكولي rN در قسمت دوم ميتوان روشهاي شبيه سازي را از هم تفكيك نمود. روشهاي شبيه سازي ديناميك مولكولي بر پايه حل معادلات حركت مولكولي به منظور توليد پيكربنديهاي جديد استوار ميباشد در نتيجه شبيه سازيهاي ديناميك مولكولي را ميتوان براي بدست آوردن خواص وابسته به زمان مورد استفاده قرار داد. در حالي كه روش مونت كارلو بر پايه احتمالات است. بدين صورت كه يك پيكربندي آزمايشي بطور تصادفي توليد ميگردد. سپس اين پيكربندي سيستم بوسيله معيارهايي براي مقبوليت يا عدم مقبوليت آن بوسيله محاسبه تغيير انرژي و خواص ديگر در پيكربندي آزمايشي ارزيابي ميگردد. و سرانجام با مقايسه كل پيكربنديهاي توليد شده و پيكربنديهاي پذيرفته شده يا رد شده و استفاده از ميانگين گيرهاي مجموعهاي خواص مولكولي محاسبه ميگردد.
در بعضي روشهاي ديگر موقعيتها با استفاده از يك روش تركيبي بدست ميآيد. به گونهاي كه مانند روش مونت كارلو تا حدي بصورت تصادفي است و از طرف ديگر مانند MD داراي خاصيت تعييني است. روشهاي مختلف را ميتوان بر اساس ميزان خاصيت «تعييني» آنها در توليد موقعيتهاي مولكولي به صورت زير مرتب كرد.
شكل صفحه 19- پايان نامه دكتر يگانگي
در شبيه سازي ديناميك مولكولي، موقعيتهاي مولكولي rN از حل عددي معادلات حركت بدست ميآيند. بنابراين موقعيتها از نظر زماني به همديگر متصل هستند. در روشهاي ديگر شبيه سازي موقعيتهاي مولكولي از نظر زماني به يكديگر وابسته نيستند. به عنوان مثال در شبيه سازي
3
مباني شبيه سازي ديناميك مولكولي
«مونت كارلو» Monte Carlo
موقعيتها به صورت تصادفي توليد مي‌شوند به طوري كه ساختاري مولكولي rN فقط به ساختار قبلي بستگي دارد. وقتي كه نتيجه يك واقعه تصادفي در يك رشته فقط به نتيجه واقعه قبلي بستگي داشته باشد به آن رشته يك «زنجير ماركوف» ميگويند. در بعضي روشهاي ديگر موقعيتها با استفاده از يك روش تركيبي بدست ميآيد. به گونهاي كه مانند روش مونت كارلو تا حدي به صورت تصادفي است و از طرف ديگر مانند MD داراي خاصيت تعييني است. روشهاي مختلف را ميتوان بر اساس ميزان خاصيت «تعييني» آنها در توليد موقعيتهاي مولكولي به صورت زير مرتب كرد.
«تعييني» «تصادفي»
ديناميك ديناميك ديناميك مونت كارلو مونت كارلو
مولكولي عمومي لاگرانژي براوني Force Biased مترو پوليس
شكل (2- 1)- درجه نسبي تعييني در روشهاي مختلف شبيه سازي مولكولي [34]
2- 3- 1- شبيه سازي مونت كارلو MC
روش تصادفي خالص مونت كارلو به سيستم با تعداد مولكول ثابت N در حجم ثابت V كه در دماي ثابت T نگه داشته ميشود، صورت ميگيرد. فرآيند شبيه سازي از روش عمومي مونت كارلو براي محاسبه انتگرالهاي چند بعدي استخراج شده است. انتگرالها در اينجا متوسطهاي مكانيك آماري روي.
در زير الگوريتم كلي براي روش مونت كارلو و ديناميك مولكولي ارائه گرديده است.
الگوريتم 1-1- قسمتهاي اصلي شبيه سازي مونت كارلو
توليد يك پيكربندي اوليه: قسمت اول
توليد يك زنجيره ماركوف براي چرخهها: قسمت دوم
تعداد چرخهها N 1000 ← i: LOOP
يك پيكر بندي جديد توليد كن
احتمال انتقال از حالت اوليه به اين پيكربندي تصادفي را تعيين كن W
يك عدد تصادفي بين 1 تا صفر را انتخاب كن R
If (W> R) then
4
مباني شبيه سازي ديناميك مولكولي
حركت مورد قبول است
Else
حركت مردود است
End if
End LOOP
الگوريتم 2- 1- قسمتهاي اصلي ديناميك مولكولي
توليد يك پيكربندي اوليه: قسمت اول
شبيه سازي به مدت tMax: قسمت دوم
LOOP
يك پيكربندي جديد توسط حل معادلات حركت توليد كن
بوسيله ميانگين گيري زماني كميتهاي مورد نظر را محاسبه كند
(time ≥ t Max) در حالي كه
3- 2- مدل شبيه سازي
به منظور شبيه سازي يك سيستم مولكولي ابتدا بايد از بر هم كنش بين ذرات آن سيستم و بر هم كنس بين ذرات و محيط اطلاعات صحيح در دسترس باشد. براي بدست آوردن اين اطلاعات از يك مدل استفاده ميشود. اين مدل شامل يك انرژي پتانسيل بين مولكولي يا معادل آن تابع نيروي بين مولكولي است. بطور كلي ميتوان انرژي پتانسيل يك سيستم متشكل از N اتم را به صورت مجموع جملاتي متشكل از پتانسيل ذرات انفرادي، جفتي، سه تايي و غيره به صورت رابطه ( ) در نظر گرفت.
(1- 4)
كه در آن دلالت بر جمع روي همه جفت ذرات j, I بدون احتساب جملات تكراري دارد. اولين جمله در معادله (1- 4) u1 (ri) اثر يك ميدان خارجي بطور مثال ديوارههاي ظرف روي سيستم را نشان ميدهد. بقيه جملات به بر هم كنشهاي ذرات ميپردازند. بر اساس اين جداسازي بر هم كنش بين مولكول و بر هم كنش سيستم محيط مستقل از هم هستند. جمله دوم u2، پتانسيل جفتي مهم در اين جمله است پتانسيل جفتي فقط به اندازه جدايي بين ذرات rij = | ri – rj