شبیه سازی دینامیک مولکولی با نرم افزار متریال استودیو (Materials Studio)؛ مهندسی شیمی و پلیمر

شبیه سازی مولکولی یک جعبه ابزار بسیار قدرتمند در مدلسازی مولکولی مدرن است، و ما را قادر می سازد که تا دینامیک و ساختار را با جزئیات بالا، در ابعادی که حرکت یک اتم تنها بتواند دنبال شود، درک کنیم و از آن پیروی کنیم.

شبیه سازی دینامیک مولکولی در نگاهی عمیق تر از شاخه های محاسباتی مبتنی بر معادالت حرکت نیوتن و قوانین مکانیک آماری میباشد که به حرکت و توزیع اتم ها و مولکول ها مربوط و رفتار دینامیکی واقعی سیستم در آن محاسبه میشود. با اعمال معادلات حرکت نیوتن، مجموعه ای از موقعیت ها به صورت پشت سر هم به دست میآید و به صورت تخمینی حالت سیستم در هر زمان را میتوان از حالت فعلی آن پیش بینی کرد. این روش تکنیکی نوین بوده که از گستره ای از ابزارهای محاسباتی و رایانه ای جهت طراحی نوین مولکول های واجد فعالیت زیستی و بررسی نحوه فعالیت آنها استفاده میکند . در این شکل از شبیه سازی رایانه ای ، اتم ها و مولکول ها اجازه دارند در یک بازه از زمان تحت قوانین شناخته شده فیزیک بر یکدیگر برهمکنش کنند و چشم اندازی از حرکت اتم ها را به نمایش بگذارند. این روش میتواند به صورت یک آزمایش عددی برای مواد، بدون سنتز مستقیم آنها در آزمایشگاه به کار رود.

در واقع در شبیه سازی های دینامیک مولکولی اطلاعاتی در سطح میکروسکوپی (موقعیت و سرعت اتم ها) تولید میکنند. تبدیل این داده ها به مقادیر ماکروسکوپی (فشار، انرژی …) به کمک مکانیک آماری انجام میشود. در حقیقت، دینامیک مولکولی و مکانیک آماری مفاهیم میکروسکوپی و کمیتهای مشاهده پذیر ماکروسکوپی را به هم مرتبط میسازند. در شبیهسازی-
های دینامیک مولکولی از قانون دوم نیوتن برای بررسی تحول زمانی سیستمها استفاده میشود. در حقیقت، در روش- های شبیه سازی دینامیک مولکولی با داشتن موقعیت ها و سرعت های اولیه، میتوان تحول زمانی سیستم را بررسی کرد. با انتگرالگیری از معادلات حرکت نیوتن یک مسیر به دست میآید که چگونگی تغییر موقعیت، سرعت و شتاب ذرات را با
زمان نشان میدهد. در دینامیک مولکولی برای اندازه گیری یک کمیت فیزیکی باید میانگین زمانی آن کمیت در مسیر سیستم محاسبه شود. هر کمیتی که بتوان آن را به موقعیت و سرعت اتم ها مرتبط کرد را میتوان با استفاده از شبیه- سازی های دینامیک مولکولی بدست آورد.

نرم افزار متریال استودیو (Materials Studio)

شیمی محاسباتی، شاخه ای از دانش شیمی است که سعی در حل مسائل شیمی به کمهک رایانه ها دارد. یکی از روش های بسیار کارا در شیمی محاسباتی، شبیه سازی دینامیک مولکولی است که روشی مناسب برای مدلسازی میکروسکوپی در مقیاس اتمی و مولکولی را فراهم میکند. در سال های اخیر چندین کتاب درباره ی مبانی و فنون مورد استفاده در روش های شبیه سازی دینامیک مولکولی و همچنین برخی از نرم افزارهای پرکاربرد در این زمینه به رشته تحریر درآمده است. نرم افزار متریالز استودیو جهت انجام طیف وسیعی از محاسهبات کوانتومی، شبیه سازیهای دینامیک مولکولی و مونت کارلو در مقیاس های مختلف یراحی شده است. این نرم افزار بسیار توانمند بوده و برای مطالعات محاسباتی در شاخه های مختلف علوم و مهندسی کاربرد دارد. نرم افزار متریال استودیو، علاوه بر توانمندی های محاسباتی، دارای یک رابط گرافیکی بسیار قدرتمند در سیستم عامل ویندوز است که سبب میشود نسبت به بسیاری از نرم افزارهای متداول شبیه سازی نظیر Poly-DL ،LAMMPS و … که بیشتر از محیط متنی در سیستم عامل لینوکس استفاده می کنند ، سهولت کاربرد بیشتری داشته باشد. این نرم افزار توانایی انجام محاسبات به صورت موازی و با هر تعداد هسته ی دلخواه را دارد.