物理化学的工具与方法
分子动力学(molecular dynamics)
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想象一本翻页动画书,每一页都是稍后一个瞬间的世界。分子动力学为原子画出这样一本翻页书:它算出此刻每个原子上的受力,把它们全都向前推一小段时间,再重新计算、重复——成千上万乃至上百万次——直到一部分子的影片浮现出来。
更准确地说,分子动力学是一种模拟方法,它通过反复运用牛顿定律来追踪原子的运动。在每一个极小的时间步上,它从一个相互作用模型算出每个原子的受力,更新每个原子的位置和速度,再向前迈一步。结果是一条轨迹:每个原子穿越时间的路径,由此可以测出温度、扩散,以及结构如何变化。
为什么重要:它揭示出物质实际运动、抖动的行为——蛋白质如何摆动、液体如何流动、晶体如何熔化——这些是静态图像和平均值无法呈现的。一个提醒:它遵循经典力学并采用一个选定的力模型,所以可能漏掉量子效应,而且它只能覆盖计算机所允许的时间和规模。许多有趣的事件,单纯就是慢到在可行的运行时间内根本到不了。
为了看清一种药物如何进入细胞,研究者对药物、一片细胞膜和周围的水做分子动力学模拟。在模拟出的一微秒里,他们看着这个分子翻滚、擦过膜面,再慢慢滑入油性的内部——这是任何显微镜都无法直接拍下的过程。
一小步接一小步,分子动力学把原子间的作用力,变成一部运动的影片。
分子动力学和蒙特卡罗模拟都在探索一个系统的各种构型,但方式不同。分子动力学沿着一条由作用力支配的实时轨迹前进,所以它能给出动力学——速率以及随时间变化的行为。蒙特卡罗则靠随机在各构型之间跳跃,只给出平衡平均值,没有「流逝的时间」这一概念。
又称
另见