روند شبیه سازی دینامیک مولکولی
روند اصلی طی شده در انواع مختلفی از شبیه سازی های دینامیک مولکولی از یک چرخه مشخص پیروی می کند. به بیان دقیق تر شبیه سازی های دینامیک مولکولی مرسوم از ۵ بخش زیر تشکیل یافته اند:
- آماده سازی ساختارهای اتمی
- بهینه سازی ساختارهای اتمی
- تنظیم شرایط اولیه
- متعادل سازی ساختارهای اتمی
- انجام فرایند فیزیکی نهایی
آماده سازی ساختارهای اتمی
برای آغاز یک شبیهسازی دینامیکملکولی ابتدا باید یک ساختار اولیه که نقطه شروع یا ساختار سیستم در زمان t=0 است، انتخاب شود. در اغلب شبیهسازیهای دینامیکملکولی جایگاه دقیق تکتک اتمها به عنوان ساختار اولیه مورد استفاده قرار میگیرد. جایگاه اولیه بیان شده به دو صورت نظری و تجربی قابل شناسایی بوده و انتخاب این جایگاه از اهمیت ویژهای برخوردار است و باید مورد دقت و توجه قرار گیرد زیرا این انتخاب کیفیت فرآیند شبیه سازی را میتواند تحت تأثیر قرار دهد. در ادامه، نحوه انتخاب شرایط مرزی از اهمیت بالایی برخوردار است به گونهای که دو حالت مهم و کاربردی در این زمینه، تعریف شرایط مرزی به صورت دورهای و ثابت است. با انتخاب شرایط مرزی ثابت، اندازه ساختارهای اتمی در سه راستا ثابت و با انتخاب شرایط مرزی دورهای، سیستم اتمی در راستاهای انتخابی تکرار میشود. مفهوم شرایط مرزی دورهای بیان شده، در شکل ۱ نمایش داده شده است. در قمست نهایی این بخش نیز تعریف اندرکنش بین اتم ها با استفاده از مفهوم میدان نیرو ممکن خواهد بود.
شکل ۱. شرایط مرزی دورهای (تناوبی) در شبیهسازیهای دینامیک مولکولی.
بهینه سازی ساختارهای اتمی
از دیدگاه محاسباتی، تناسب بین جایگاه اولیه اتمی و میدان نیروی مورد استفاده در شبیهسازیها از اهمیت بالایی برخوردار است به گونهای که با بهینهسازی ساختارهای اتمی، فرایندهایی همچون تعادل دمایی در ساختارها در مدت زمان کوتاهتر و با صرف هزینه محاسباتی کمتری قابل دستیابی خواهد بود. روشهای متعددی به منظور انجام بهینهسازی انرژی در ساختارهای اتمی معرفی شده است که روش Conjugate Gradient یکی از دقیقترین روشها برای بهینهسازی ساختارهای اتمی بوده و نرم افزار لمپس قابلیت اعمال این روش بهینه سازی در ساختارهای اتمی اولیه را دارد.
تنظیم شرایط اولیه
تعیین شرایط اولیه برای ساختارهای اتمی همچون دما و فشار از اهمیت بالایی برخوردار بوده و تاثیر مستقیمی بر تحول زمانی آنها دارد. به عنوان مثال، سرعت اولیه اتمی در یک شبیهسازی دینامیکملکولی متناسب با دمای اولیه برای هر یک از اتمهای حاضر در جعبه شبیهسازی بوده و در ادامه شبیهسازی از معادلات حرکت نیوتون به منظور پیشبینی سرعت استفاده میشود. به بیانی دقیقتر، پس از شروع شبیهسازیهای دینامیکملکولی و در طی فرآیند افزایش یا کاهش دما، سرعت بعدی برای هر اتم تعیین میشود و به طور متوالی سرعتهای جدید در دماهای آتی برای اتمها مشخص شده و این روند تا رسیدن سیستم اتمی به دمای موردنظر ادامه پیدا میکند.
متعادل سازی ساختارهای اتمی
پس از تنظیم دمای ساختارهای اتمی با استفاده از کنترل سرعت و مقدار نوسان اتمهای سازنده، شبیه سازی در هنگرد موردنظر ادامه پیدا کرده و در طی این مرحله رفتار سیستم از نظر شکل ساختار، فشار، دما، انرژی و سایر کمیتهای فیزیکی کنترل میشود. از دیدگاه محاسباتی نقطه تعادل سیستم اتمی شبیهسازی شده زمانی قابل مشاهده است که رفتار ساختار اتمی نسبت به گامهای زمانی، پایداری قابل قبولی را از خود نشان دهد.
انجام فرایند فیزیکی نهایی
پس از فرایند متعادلسازی ساختارهای اتمی، که بررسی تغییرات انرژی سیستم در طی گامهای زمانی شبیهسازی شده میتواند آن را تایید کند، مرحله انجام شبیهسازی اصلی یا فرایند فیزیکی موردنظر در ساختار اتمی اعمال میشود. مدت زمان موردنیاز برای انجام این مرحله از شبیهسازی به طور متوسط از چند صد پیکوثانیه تا چندین نانوثانیه یا بیشتر میتواند متغیر باشد به گونهای که در طی این زمان، محاسبه خروجیهای فیزیکی هدف و موردنظر امکانپذیر خواهد بود. در نهایت با انجام فرایند فیزیکی موردنظر، شبیهسازی دینامیکملکولی به فهم خواص مختلف در ابعاد اتمی میتواند کمک کند. برخی از کمیتهای فیزیکی که به طور معمول در یک شبیهسازی دینامیکملکولی محاسبه میشوند، عبارتند از:
- دمای ساختارهای اتمی
- انرژی جنبشی
- انرژی پتانسیل
- فشار ساختارهای اتمی
- تنش وارد شده به ساختارهای اتمی
- چگالی
بسته آموزشی نرم افزار لمپس که توضیحات آن در این صفحه قابل مشاهده است، توضیحات و آموزش تکمیلی در مورد روند شبیه سازی های دینامیک مولکولی و نحوه انجام این فرایند توسط نرم افزار لمپس و مکمل را ارائه کرده است. ویدیو ۱ قسمت هایی از روند طی شده در این بسته آموزشی را به تصویر کشیده است.
ویدیو ۱. روند کلی طی شده در بسته آموزشی نرم افزار لمپس.