Molekyylidynamiikka

Molekyylidynamiikka (MD) on tietokonesimulaatiometodi, jonka avulla tutkitaan atomien ja molekyylien dynamiikkaa niiden vuorovaikuttaessa toistensa kanssa. Atomien ja molekyylien liikeradat selvitetään ratkaisemalla numeerisesti Newtonin liikeyhtälöt, joissa atomien väliset voimat ja energiat lasketaan käyttämällä ns. voimakenttiä. Molekyylidynamiikan kehitys alkoi 1950-luvun lopussa, ja nykyään sitä sovelletaan enimmäkseen fysikaalisessa kemiassa, materiaalitieteessä ja biomolekyylien mallinnuksessa.

Molekyylidynamiikkaa käytetään usein simuloimaan biofysikaalisia systeemejä. Tässä esitettynä sadan pikosekunnin simulaatio vedestä.

Käytännössä simulaatiota varten on ensin rakennettava systeemistä kolmiulotteinen malli, ja valittava käytettävä voimakenttä kuvaamaan atomien välisiä vuorovaikutuksia. Tämän jälkeen systeemin rakenne optimoidaan lähimpään energiaminimiin. Tarvittaessa systeemille valitaan lämpötila, paine, liuotin, reunaehdot ja lukuisia muita parametreja.

Varsinainen simulaatio käynnistetään asettamalla atomeille alkunopeudet. Tämän jälkeen jokaisella aika-askeleella lasketaan atomien väliset voimat, joiden perusteella selvitetään atomien uudet sijainnit, nopeudet, energiat sekä muut tutkittavat havaintosuureet. Kun haluttu simulaatioaika on saavutettu, voidaan atomijoukolle laskea erilaisia ominaisuuksia aikakeskiarvojen avulla. Tietyissä tapauksissa näitä simulaatioista saatuja ominaisuuksia voidaan verrata kokeellisiin tuloksiin. Simulaatiodata mahdollistaa myös sellaisten koko- ja aikaskaalojen tutkimisen, joita nykyiset kokeelliset menetelmät eivät saavuta.