دانلود مقاله در مورد شبيه سازي مولكولي

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات
دسته بندی : وورد
نوع فایل :  word (..doc) ( قابل ويرايش و آماده پرينت )
تعداد صفحه : 41 صفحه

 قسمتی از متن word (..doc) : 
 

‏2
‏مباني شبيه سازي ديناميك مولكولي
‏شبيه سازي مولكولي به روش‏‌‏هايي گفته مي‏‌‏شود كه با در نظر گرفتن مولكولهاي يك سيستم و مدل بر هم كنش آنها و محاسبه موقعيت‏‌‏ها و سرعت‏‌‏هاي آن ذرات در هر لحظه از زمان و استفاده از روابط مكانيك آماري خواص ماكروسكوپي سيستم را محاسبه مي‏‌‏كند. شبيه سازي‏‌‏هاي كامپيوتري نقش ارزشمندي در پاسخ دقيق به مسائل آماري دارند كه فقط بوسيله روش‏‌‏هاي تقريبي قابل حل هستند. بدين ترتيب شبيه سازي كامپيوتري روشي براي آزمايش نظريه‏‌‏هاي مختلف مكانيك آماري است علاوه بر اين نتايج شبيه سازي‏‌‏هاي كامپيوتري را مي‏‌‏توان در حد نتايج آزمايشهاي واقعي دانست.
‏روش شبيه سازي ملكولي به عوض تلاشي جهت استنتاج رفتار ميكروسكوپي از مشاهدات آزمايشگاهي، ديدگاه سازنده‏‌‏اي را دنبال مي‏‌‏كند كه در آن سعي مي‏‌‏شود با استفاده از سيستم‏‌‏هاي مدل رفتار ميكروسكوپي بازسازي شود. بدين ترتيب اين گونه روش‏‌‏ها مي‏‌‏توانند به منظور آزمايش مدل‏‌‏هاي ارائه شده مولكولي به كار روند و يا با استفاده از مدل‏‌‏هاي تاييد شده براي محاسبه خواص مدل مورد استفاده قرار گيرند. اين نقش دوگانه شبيه سازي به صورت پلي ميان مدلها و پيش بيني‏‌‏هاي نظري از يك سو و مدل‏‌‏ها و نتايج آزمايشگاهي از سوي ديگر است. تفاوت بين شبيه سازي كامپيوتري و ساير محاسبات در نحوه استفاده از كامپيوتر است. در شبيه سازي، كامپيوتر تنها يك محاسبه‏‌‏گر نيست بلكه آزمايشگاهي مجازي كه در آن يك سيستم بررسي مي‏‌‏شود .
‏شكل 2- 1- صفحه 5 كتاب آن
‏به همين دليل از تكنيك‏‌‏هاي شبيه سازي كامپيوتري به عنوان آزمايشهاي كامپيوتري نيز ياد مي‏‌‏شود. شبيه سازي كامپيوتري ارتباط مستقيمي بين جزئيات ميكروسكوپي يك سيستم (جرم اتم‏‌‏ها، بر هم كنش‏‌‏هاي بين آنها، شكل هندسي مولكولها و …..) و خواص ماكروسكوپي قابل اندازه‏‌‏گيري (معادله حالت، ضرايب انتقالي، پارامترهاي نظم ساختاري و ….) برقرار مي‏‌‏سازد كه اين كميت‏‌‏ها علاوه بر اهميت آكادميك در صنعت نيز از اهميت خاصي برخوردار مي‏‌‏باشند. انجام اين آزمايشات تحت شرايط دما و فشار بسيار بالا مي‏‌‏تواند با دشواري همراه باشد. در صورتي كه انجام اين گونه آزمايشات بوسيله شبيه ساز كامپيوتري كار بسيار ساده‏‌‏تري است. تعيين جزئيات ساختار و حركت مولكولها به عنوان مثال در واكنش‏‌‏هاي كاتاليستي ناهمگن، انتقال يون سريع يا واكنش‏‌‏هاي آنزيمي بوسيله روش‏‌‏هاي آزمايشگاهي بسيار سخت است در حالي كه به سادگي مي‏‌‏توان اين نتايج را از شبيه سازي كامپيوتري استخراج نمود. سرعت زياد بعضي از رخدادها در واكنش
‏2
‏مباني شبيه سازي ديناميك مولكولي
‏‌‏ها يا سيستم‏‌‏هاي شيميايي هر چند كه تشخيص آزمايشگاهي آنها را با مشكل روبرو مي‏‌‏كند. در شبيه سازي مولكول يك نقطه سادگي ‏محسوب مي‏‌‏گردد. يعني رخدادهايي با سرعت بيشتر با سهولت بيشتري شبيه سازي مي‏‌‏گردد. گستره وسيعي از پديده‏‌‏هاي مي‏‌‏تواند بوسيله شبيه سازي كامپيوتري مورد مطالعه قرار گيرد.
‏3- 1- شبيه سازي تعييني و تصادفي
‏يك شبيه سازي در مقياس مولكولي از سه قسمت اصلي تشكيل شده است:
‏الف) ساختن مدل مولكولي
‏ب) محاسبه مسيرهاي مولكولي
‏ج) تجزيه و تحليل اين مسيرها براي بدست آوردن مقادير عددي خواص مورد نظر
‏وظيفه واقعي شبيه سازي مولكولي قسمت دوم است. بر اساس شيوه محاسبه موقعيت‏‌‏هاي مولكولي rN‏ ‏ در قسمت دوم مي‏‌‏توان روشهاي شبيه سازي را از هم تفكيك نمود. روش‏‌‏هاي شبيه سازي ديناميك مولكولي بر پايه حل معادلات حركت مولكولي به منظور توليد پيكربندي‏‌‏هاي جديد استوار مي‏‌‏باشد در نتيجه شبيه سازي‏‌‏هاي ديناميك مولكولي را مي‏‌‏توان براي بدست آوردن خواص وابسته به زمان مورد استفاده قرار داد. در حالي كه روش مونت كارلو بر پايه احتمالات است. بدين صورت كه يك پيكربندي آزمايشي بطور تصادفي توليد مي‏‌‏گردد. سپس اين پيكربندي سيستم بوسيله معيارهايي براي مقبوليت يا عدم مقبوليت آن بوسيله محاسبه تغيير انرژي و خواص ديگر در پيكربندي آزمايشي ارزيابي مي‏‌‏گردد. و سرانجام با مقايسه كل پيكربندي‏‌‏هاي توليد شده و پيكربندي‏‌‏هاي پذيرفته شده يا رد شده و استفاده از ميانگين گيرهاي مجموعه‏‌‏اي خواص مولكولي محاسبه مي‏‌‏گردد.
‏در بعضي روش‏‌‏هاي ديگر موقعيت‏‌‏ها با استفاده از يك روش تركيبي بدست مي‏‌‏آيد. به گونه‏‌‏اي كه مانند روش مونت كارلو تا حدي بصورت تصادفي است و از طرف ديگر مانند MD‏ داراي خاصيت تعييني است. روش‏‌‏هاي مختلف را مي‏‌‏توان بر اساس ميزان خاصيت ‏«‏تعييني‏»‏ آنها در توليد موقعيت‏‌‏هاي مولكولي به صورت زير مرتب كرد.
‏شكل صفحه 19- پايان نامه دكتر يگانگي
‏در شبيه سازي ديناميك مولكولي، موقعيتهاي مولكولي rN‏ از حل عددي معادلات حركت بدست مي‏‌‏آيند. بنابراين موقعيتها از نظر زماني به همديگر متصل هستند. در روشهاي ديگر شبيه سازي موقعيتهاي مولكولي از نظر زماني به يكديگر وابسته نيستند. به عنوان مثال در شبيه سازي
‏3
‏مباني شبيه سازي ديناميك مولكولي
‏«‏مونت كارلو‏»‏ Monte Carlo
‏ ‏موقعيتها به صورت تصادفي توليد مي‏‌‏شوند به طوري كه ساختاري مولكولي rN‏ ‏فقط به ساختار قبلي بستگي دارد. وقتي كه نتيجه يك واقعه تصادفي در يك رشته فقط به نتيجه واقعه قبلي بستگي داشته باشد به آن رشته يك ‏«‏زنجير ماركوف‏»‏ مي‏‌‏گويند. در بعضي روشهاي ديگر موقعيتها با استفاده از يك روش تركيبي بدست مي‏‌‏آيد. به گونه‏‌‏اي كه مانند روش مونت كارلو تا حدي به صورت تصادفي است و از طرف ديگر مانند MD‏ داراي خاصيت تعييني است. روشهاي مختلف را مي‏‌‏توان بر اساس ميزان خاصيت ‏«‏تعييني‏»‏ آنها در توليد موقعيتهاي مولكولي به صورت زير مرتب كرد.
‏«‏تعييني‏»‏ ‏«‏تصادفي‏»‏
‏ديناميك ديناميك ديناميك مونت كارلو مونت كارلو
‏مولكولي ‏ ‏عمومي لاگرانژي براوني Force Biased‏ مترو پوليس
‏شكل (2- 1)- درجه نسبي تعييني در روشهاي مختلف شبيه سازي مولكولي [34]
‏
‏2- 3- 1- شبيه سازي مونت كارلو MC‏
‏روش تصادفي خالص مونت كارلو به سيستم با تعداد مولكول ثابت ‏‌N‏ در حجم ثابت V‏ كه در دماي ثابت T‏ نگه داشته مي‏‌‏شود، صورت مي‏‌‏گيرد. فرآيند شبيه سازي از روش عمومي مونت كارلو براي محاسبه انتگرالهاي چند بعدي استخراج شده است. انتگرالها در ‏اينجا متوسطهاي مكانيك آماري روي.
‏در زير الگوريتم كلي براي روش مونت كارلو و ديناميك مولكولي ارائه گرديده است.
‏الگوريتم 1-1- قسمتهاي اصلي شبيه سازي مونت كارلو
‏توليد يك پيكربندي اوليه: قسمت اول
‏توليد يك زنجيره ماركوف براي چرخه‏‌‏ها: قسمت دوم
‏تعداد چرخه‏‌‏ها N‏ 1000 ‏←‏ i‏: LOOP
‏يك پيكر بندي جديد توليد كن
‏احتمال انتقال از حالت اوليه به اين پيكربندي تصادفي را تعيين كن W
‏يك عدد تصادفي بين 1 تا صفر را انتخاب كن R
If (W> R) then ‏
‏4
‏مباني شبيه سازي ديناميك مولكولي
‏حركت مورد قبول است
Else
‏حركت مردود است
End if
End LOOP
‏الگوريتم 2- 1- قسمتهاي اصلي ديناميك مولكولي
‏توليد يك پيكربندي اوليه: قسمت اول
‏شبيه سازي به مدت tMax‏: قسمت دوم
LOOP
‏يك پيكربندي جديد توسط حل معادلات حركت توليد كن
‏بوسيله ميانگين گيري زماني كميت‏‌‏هاي مورد نظر را محاسبه كند
(time ≥ t Max)‏ در حالي كه
‏3- 2- مدل شبيه سازي
‏به منظور شبيه سازي يك سيستم مولكولي ابتدا بايد از بر هم كنش بين ذرات آن سيستم و بر هم كنس بين ذرات و محيط اطلاعات صحيح در دسترس باشد. براي بدست آوردن اين اطلاعات از يك مدل استفاده مي‏‌‏شود. اين مدل شامل يك انرژي پتانسيل بين مولكولي يا معادل آن تابع نيروي بين مولكولي است. بطور كلي مي‏‌‏توان انرژي پتانسيل يك سيستم متشكل از N‏ اتم را به صورت مجموع جملاتي متشكل از پتانسيل ذرات انفرادي، جفتي، سه تايي و غيره به صورت رابطه ( ) در نظر گرفت.
‏(1- 4)
‏كه در آن ‏ دلالت بر جمع روي همه جفت ذرات j, I‏ بدون احتساب جملات تكراري دارد. اولين جمله در معادله (1- 4) u1 (ri)‏ اثر يك ميدان خارجي بطور مثال ديواره‏‌‏هاي ظرف روي سيستم را نشان مي‏‌‏دهد. بقيه جملات به بر هم كنش‏‌‏هاي ذرات مي‏‌‏پردازند. بر اساس اين جداسازي بر هم كنش بين مولكول و بر هم كنش سيستم محيط مستقل از هم هستند. جمله دوم u2‏، پتانسيل جفتي مهم ‏در اين جمله است پتانسيل جفتي فقط به اندازه جدايي بين ذرات rij = | ri – rj