Výpočetní chemie

Přehled

Co to je, na jakých principech funguje

Čím se může zabývat e.g. od vlastností jednotlivých atomů a molekul až po simulace částí buněk (celá buňka odkaz na práci)

Možná jednoduchá grafika s měřítkem od atomů po membrány a vyznačení QM a MM regionu

Metody

Text

MM

Forcefields

První

Druhý

MD

Molekulová dynamika (MD) je důležitou metodou výpočetní chemie, která sleduje vývoj systému v čase. Obrovskou výhodou MD simulací je možnost modelovat až miliony atomů, čímž se jednoznačně odlišuje od statických QM výpočtů. Nicméně, takovou spoustu atomů zvládá spočítat jen tzv. klasická MD, kvantová MD (také známá jako ab initio MD, first-principles MD apod.) je naproti tomu výrazně omezena na simulování maximálně desítky atomů. Kromě samotných teorií, na kterých klasická a kvantová MD stojí, se tyto přístupy také liší časovou škálou, kdy klasickou MD získáváme až mikrosekundové simulace, zatímco kvantovou MD se současnou výpočetní silou maximálně pikosekundy.

Klasická MD se spojitým potenciálem je založena na silovém poli a Newtonových rovnicích. Silové pole (také známo pod pojmenováním empirický potenciál, molekulová mechanika, mezimolekulový potenciál) je označením pro soubor rovnic a parametrů, kterými se vyčíslují potenciální energie systému atomů (all-atom MD), zhrubených částic (united atom/coarse-grained MD). Po určení energie se vyčísluje síla působící na jednotlivé atomy, poté díky Newtonovým pohybovým rovnicím zrychlení, rychlosti a souřadnice apod. Výhodou MD simulací je také možnost libovolně nastavovat podmínky simulace, jako simulování NVT, NpT souboru atd. Typickým využitím klasické MD je simulování průchodnosti molekul biomembránami, simulování interakce biomolekul, nanočástic a dalších v explicitním solventu.

Na našich výpočetních strojích máme několik programů, které jsou schopny běžet MD simulace. Jsou jimi:

• Amber
• NAMD
• LAMMPS
• GROMACS

QM-MM

Když narazíme na problém limitace počtu atomů, kdy již kvantová mechanika není schopna v rozumném časovém horizontu spočítat sledované vlastnosti systému a zároveň nelze elektronovou strukturu molekuly aproximovat čistě Coulombickým rozvojem, tak existuje další přístup, který nám umožňuje tento problém dobře aproximovat – QM/MM. QM/MM funguje tak, že nejdůležitější část celého systému se popíše kvantovou mechanikou (QM), zatímco okolní atomy jsou popsány jen molekulovou mechanikou (MM). Typickým příkladem budiž organická molekula (popsaná QM) na povrchu (popsané MM) nebo molekula v roztoku, kdy tvorba vodíkových vazeb mezi solventem a solutem může hrát důležitou roli.

Na našich strojích je možno spouštět QM/MM výpočty pomocí programu ONIOM (Our own N-layer Integrated molecular Orbital molecular Mechanics), který je součástí programového balíku Gaussian[1]. Koncept je jednoduchý. ONIOM umožňuje uživateli relativně intuitivně rozdělit studovaný systém na 2-3 slupky, kdy každá je popsána v hlavičce definovanou úrovní teorie.