物理化學的工具與方法

分子動力學(molecular dynamics)

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想象一本翻頁動畫書,每一頁都是稍後一個瞬間的世界。分子動力學為原子畫出這樣一本翻頁書:它算出此刻每個原子上的受力,把它們全都向前推一小段時間,再重新計算、重複——成千上萬乃至上百萬次——直到一部分子的影片浮現出來。

更準確地說,分子動力學是一種模擬方法,它透過反覆運用牛頓定律來追蹤原子的運動。在每一個極小的時間步上,它從一個相互作用模型算出每個原子的受力,更新每個原子的位置和速度,再向前邁一步。結果是一條軌跡:每個原子穿越時間的路徑,由此可以測出溫度、擴散,以及結構如何變化。

為什麼重要:它揭示出物質實際運動、抖動的行為——蛋白質如何擺動、液體如何流動、晶體如何熔化——這些是靜態圖像和平均值無法呈現的。一個提醒:它遵循經典力學並採用一個選定的力模型,所以可能漏掉量子效應,而且它只能覆蓋計算機所允許的時間和規模。許多有趣的事件,單純就是慢到在可行的運行時間內根本到不了。

為了看清一種藥物如何進入細胞,研究者對藥物、一片細胞膜和周圍的水做分子動力學模擬。在模擬出的一微秒裡,他們看著這個分子翻滾、擦過膜面,再慢慢滑入油性的內部——這是任何顯微鏡都無法直接拍下的過程。

一小步接一小步,分子動力學把原子間的作用力,變成一部運動的影片。

分子動力學和蒙特卡羅模擬都在探索一個系統的各種構型,但方式不同。分子動力學沿著一條由作用力支配的實時軌跡前進,所以它能給出動力學——速率以及隨時間變化的行為。蒙特卡羅則靠隨機在各構型之間跳躍,只給出平衡平均值,沒有「流逝的時間」這一概念。

又稱
分子动力学分子動力學MD