تحقیق درباره شبیه سازی مولکولی

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 42

شبیه سازی مولکولی به روش‌هایی گفته می‌شود که با در نظر گرفتن مولکولهای یک سیستم و مدل بر هم کنش آنها و محاسبه موقعیت‌ها و سرعت‌های آن ذرات در هر لحظه از زمان و استفاده از روابط مکانیک آماری خواص ماکروسکوپی سیستم را محاسبه می‌کند. شبیه سازی‌های کامپیوتری نقش ارزشمندی در پاسخ دقیق به مسائل آماری دارند که فقط بوسیله روش‌های تقریبی قابل حل هستند. بدین ترتیب شبیه سازی کامپیوتری روشی برای آزمایش نظریه‌های مختلف مکانیک آماری است علاوه بر این نتایج شبیه سازی‌های کامپیوتری را می‌توان در حد نتایج آزمایشهای واقعی دانست.

روش شبیه سازی ملکولی به عوض تلاشی جهت استنتاج رفتار میکروسکوپی از مشاهدات آزمایشگاهی، دیدگاه سازنده‌ای را دنبال می‌کند که در آن سعی می‌شود با استفاده از سیستم‌های مدل رفتار میکروسکوپی بازسازی شود. بدین ترتیب این گونه روش‌ها می‌توانند به منظور آزمایش مدل‌های ارائه شده مولکولی به کار روند و یا با استفاده از مدل‌های تایید شده برای محاسبه خواص مدل مورد استفاده قرار گیرند. این نقش دوگانه شبیه سازی به صورت پلی میان مدلها و پیش بینی‌های نظری از یک سو و مدل‌ها و نتایج آزمایشگاهی از سوی دیگر است. تفاوت بین شبیه سازی کامپیوتری و سایر محاسبات در نحوه استفاده از کامپیوتر است. در شبیه سازی، کامپیوتر تنها یک محاسبه‌گر نیست بلکه آزمایشگاهی مجازی که در آن یک سیستم بررسی می‌شود .

شکل 2- 1- صفحه 5 کتاب آن

به همین دلیل از تکنیک‌های شبیه سازی کامپیوتری به عنوان آزمایشهای کامپیوتری نیز یاد می‌شود. شبیه سازی کامپیوتری ارتباط مستقیمی بین جزئیات میکروسکوپی یک سیستم (جرم اتم‌ها، بر هم کنش‌های بین آنها، شکل هندسی مولکولها و .....) و خواص ماکروسکوپی قابل اندازه‌گیری (معادله حالت، ضرایب انتقالی، پارامترهای نظم ساختاری و ....) برقرار می‌سازد که این کمیت‌ها علاوه بر اهمیت آکادمیک در صنعت نیز از اهمیت خاصی برخوردار می‌باشند. انجام این آزمایشات تحت شرایط دما و فشار بسیار بالا می‌تواند با دشواری همراه باشد. در صورتی که انجام این گونه آزمایشات بوسیله شبیه ساز کامپیوتری کار بسیار ساده‌تری است. تعیین جزئیات ساختار و حرکت مولکولها به عنوان مثال در واکنش‌های کاتالیستی ناهمگن، انتقال یون سریع یا واکنش‌های آنزیمی بوسیله روش‌های آزمایشگاهی بسیار سخت است در حالی که به سادگی می‌توان این نتایج را از شبیه سازی کامپیوتری استخراج نمود. سرعت زیاد بعضی از رخدادها در واکنش‌ها یا سیستم‌های شیمیایی هر چند که تشخیص آزمایشگاهی آنها را با مشکل روبرو می‌کند. در شبیه سازی مولکول یک نقطه سادگی محسوب می‌گردد. یعنی رخدادهایی با سرعت بیشتر با سهولت بیشتری شبیه سازی می‌گردد. گستره وسیعی از پدیده‌های می‌تواند بوسیله شبیه سازی کامپیوتری مورد مطالعه قرار گیرد.

3- 1- شبیه سازی تعیینی و تصادفی

یک شبیه سازی در مقیاس مولکولی از سه قسمت اصلی تشکیل شده است:

الف) ساختن مدل مولکولی

ب) محاسبه مسیرهای مولکولی

ج) تجزیه و تحلیل این مسیرها برای بدست آوردن مقادیر عددی خواص مورد نظر

وظیفه واقعی شبیه سازی مولکولی قسمت دوم است. بر اساس شیوه محاسبه موقعیت‌های مولکولی rN در قسمت دوم می‌توان روشهای شبیه سازی را از هم تفکیک نمود. روش‌های شبیه سازی دینامیک مولکولی بر پایه حل معادلات حرکت مولکولی به منظور تولید پیکربندی‌های جدید استوار می‌باشد در نتیجه شبیه سازی‌های دینامیک مولکولی را می‌توان برای بدست آوردن خواص وابسته به زمان مورد استفاده قرار داد. در حالی که روش مونت کارلو بر پایه احتمالات است. بدین صورت که یک پیکربندی آزمایشی بطور تصادفی تولید می‌گردد. سپس این پیکربندی سیستم بوسیله معیارهایی برای مقبولیت یا عدم مقبولیت آن بوسیله محاسبه تغییر انرژی و خواص دیگر در پیکربندی آزمایشی ارزیابی می‌گردد. و سرانجام با مقایسه کل پیکربندی‌های تولید شده و پیکربندی‌های پذیرفته شده یا رد شده و استفاده از میانگین گیرهای مجموعه‌ای خواص مولکولی محاسبه می‌گردد.

در بعضی روش‌های دیگر موقعیت‌ها با استفاده از یک روش ترکیبی بدست می‌آید. به گونه‌ای که مانند روش مونت کارلو تا حدی بصورت تصادفی است و از طرف دیگر مانند MD دارای خاصیت تعیینی است. روش‌های مختلف را می‌توان بر اساس میزان خاصیت «تعیینی» آنها در تولید موقعیت‌های مولکولی به صورت زیر مرتب کرد.

شکل صفحه 19- پایان نامه دکتر یگانگی

در شبیه سازی دینامیک مولکولی، موقعیتهای مولکولی rN از حل عددی معادلات حرکت بدست می‌آیند. بنابراین موقعیتها از نظر زمانی به همدیگر متصل هستند. در روشهای دیگر شبیه سازی موقعیتهای مولکولی از نظر زمانی به یکدیگر وابسته نیستند. به عنوان مثال در شبیه سازی «مونت کارلو» موقعیتها به صورت تصادفی تولید می‌شوند به طوری که ساختاری مولکولی rN فقط به ساختار قبلی بستگی دارد. وقتی که نتیجه یک واقعه تصادفی در یک رشته فقط به نتیجه واقعه قبلی بستگی داشته باشد به آن رشته یک «زنجیر مارکوف» می‌گویند. در بعضی روشهای دیگر موقعیتها با استفاده از یک روش ترکیبی بدست می‌آید. به گونه‌ای که مانند روش مونت کارلو تا حدی به صورت تصادفی است و از طرف دیگر مانند MD دارای خاصیت تعیینی است. روشهای مختلف را می‌توان بر اساس میزان خاصیت «تعیینی» آنها در تولید موقعیتهای مولکولی به صورت زیر مرتب کرد.

2- 3- 1- شبیه سازی مونت کارلو MC

روش تصادفی خالص مونت کارلو به سیستم با تعداد مولکول ثابت ‌N در حجم ثابت V که در دمای ثابت T نگه داشته می‌شود، صورت می‌گیرد. فرآیند شبیه سازی از روش عمومی مونت کارلو برای محاسبه انتگرالهای چند بعدی استخراج شده است. انتگرالها در اینجا متوسطهای مکانیک آماری روی.

در زیر الگوریتم کلی برای روش مونت کارلو و دینامیک مولکولی ارائه گردیده است.