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Dinâmica molecular

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A Dinâmica Molecular (DM) é uma técnica de simulação na que se permite que átomos e moléculas interactúen por um período, permitindo uma visualização do movimento das partículas. Originalmente foi concebida dentro da física teórica, ainda que hoje em dia utiliza-se sobretudo em biofísica e ciência de materiais. Seu campo de aplicação vai desde superfícies catalíticas até sistemas biológicos como as proteínas. Conquanto os experimentos de cristalografía de raios X permitem tomar fotografias estáticas" e a técnica de RMN dá-nos indícios do movimento molecular, nenhum experimento é capaz de aceder a todas as escalas de tempo envolvidas. Resulta tentador, ainda que não é inteiramente correcto, descrever à DM como um "microscopio virtual" com alta resolução espacial e temporária.

Em general, os sistemas moleculares são complexos e consistem de um grande número de partículas, pelo qual seria impossível encontrar suas propriedades de forma analítica. Para evitar este problema, a DM utiliza métodos numéricos. A DM representa um ponto intermediário entre os experimentos e a teoria. Pode ser entendida como um experimento no computador.

Sabemos que a matéria está constituída de partículas em movimento e interacção ao menos desde a época de Boltzmann no século XIX. Mas muitos ainda se imaginam às moléculas como os modelos estáticos de um museu. Richard Feynman disse em 1963 que "todo o que fazem os seres vivos pode ser entendido através dos saltos e contorsiones dos átomos."[1] Uma das contribuições mais importantes da dinâmica molecular é criar consciência de que o DNA e as proteínas são máquinas em movimento. Utiliza-se-lhe para explorar a relação entre estrutura, movimento e função.

A dinâmica molecular é um campo multidisciplinario. Suas leis e teorias provem das Matemáticas, Física e Química. Emprega algorítmos das Ciências da Computação e Teoria da informação. Permite entender aos materiais e as moléculas não como entidades rígidas, senão como corpos animados. Também se lhe tem chamado estatística mecânica numérica" ou "a visão de Laplace da mecânica Newtoniana", no sentido de predizer o futuro ao animar as forças da natureza.

Para utilizar esta técnica de forma correcta, é importante entender as aproximações utilizadas e evitar cair no erro conceptual de que estamos a simular o comportamento real e exacto de um sistema molecular. A integração das equações de movimento estão mau condicionadas, o qual gera erros numéricos acumulativos, que podem ser minimizados seleccionando apropriadamente os algorítmos, mas não eliminados do tudo. Por outro lado, as interacções entre as partículas modelam-se com um campo de força aproximado, que pode ou não ser adequado dependendo do problema que queremos resolver. De qualquer forma, a dinâmica molecular permite-nos explorar seu comportamento representativo no espaço fásico.

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Exemplo de de uma simulação de um sistema simples pelo método de dinâmica molecular: deposición de um Átomo de Cu em uma superfície de Cu (001). A cada círculo ilustra a posição de um átomo; note que as verdadeiras interacções atómicas usadas em simulação são mais complexas que as bidimensionais mostradas na figura.

Na DM, há que balançar o custo computacional e a confiabilidade nos resultados. Na DM clássica utilizam-se as Equações de Newton, cujo custo computacional é muito menor que o das da mecânica cuántica. É por isso que muitas propriedades que podem resultar de interesse, como a formação ou ruptura de enlaces não possam ser estudadas mediante este método já que não contempla estados excitados ou reactividad.

Existem métodos híbridos denominados QM/MM (Quantum Mechanics/Molecular Mechanics) nos que um centro reactivo é tratado de modo cuántico enquanto o ambiente que o rodeia se trata de modo clássico. O desafio neste tipo de métodos resulta na definição de maneira precisa da interacção entre os duas formas de descrever o sistema...

O resultado de uma simulação de dinâmica molecular são as posições X e velocidades V da cada átomo da molécula, para a cada instante no tempo discretizado. A isto se lhe chama trajectória.

Conteúdo

Princípios físicos

Colectividad microcanónica (NVE)

A forma mais simples de dinâmica molecular ocorre no colectividad microcanónica. Nele, o sistema está isolado: seu volume não se altera (V) e não troca massa (N) nem energia (E) com o meio. Para um sistema de N partículas com coordenadas X e velocidades V, pode-se propor o seguinte par de equações diferenciais de primeira ordem

F(X) = -\nabla U(X)=M\dot{V}(t)
\dot{X}(t)=V(t)

A função de energia potencial U(X) são as atrações e repulsiones que sentem os átomos entre si devido aos enlaces químicos, interacções electrostáticas, vão der Waals, etc. das moléculas. A também U(X) se lhe conhece como campo potencial de força e é uma função das coordenadas das partículas X. Normalmente prove de cálculos de química cuántica e/ou experimentos espectroscópicos. No entanto, o campo de força geralmente tem uma forma funcional que o faz pertencer à mecânica clássica.

A trajectória das partículas é discreta no tempo. Normalmente elege-se um passo de tempo suficientemente pequeno (p.ex. 1 femtosegundo) para evitar erros numéricos de discretización. Para a cada passo de tempo, integra-se a posição X e velocidade V com um método simpléctico como a integração de Verlet. Dadas as posições iniciais (p.ex. a estrutura de raios X de uma proteína) e as velocidades iniciais (p.ex. aleatórias e Gaussianas), é possível calcular todas as posições e velocidades no futuro.

A colectividad NVE é difícil de realizar experimentalmente. Por isso, geralmente se utiliza a colectividad NVT ou NPT nas simulações. No entanto, as simulações NVE são importantes para verificar que um campo de força combinado com um algorítmo de integração conserva a energia do sistema.

Colectividad canónica (NVT)

Na colectividad canónica, o volume não se altera (V) e não se troca massa (N). A temperatura (T) mantém-se ao redor da média desejada. A temperatura instantânea do sistema não é constante, senão só sua média. Na colectividad NVT, a energia dos processos endotérmicos e exotérmicos (transições conformacionales entre estados com diferentes energias potenciais) é trocada com um termostato.

Existe uma grande variedade de termostatos para acrescentar ou remover energia para manter a temperatura média constante. Incluem a reescalación de velocidades, dinâmica Langevin, termostato Nosé-Hoover e o termostato Berendsen. Não é fácil obter uma distribuição de microestados correspondente à colectividad canónica, já que isso depende do tamanho do sistema, selecção do termostato, parámetros do termostato, passo de tempo e integrador utilizados.

Software

Na actualidade existem vários programas capazes de levar a cabo as simulações de DM, e a sua vez existem vários campos de força, que em general podem se utilizar com diversos programas. CHARMM, AMBER, NAMD e GROMACS são alguns dos pacotes mais populares.

Referências

  1. ↑ Feynman, Richard (1963). [Expressão errónea: operador < inesperado Lectures onPhysics ]. 

Veja-se também

Enlaces externos

Obtido de http://ks312095.kimsufi.com../../../../articles/c/ou/m/Comunicações_de_Andorra_46cf.html"
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