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分子動力学法
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概要
分子動力学(ぶんしどうりきがくほう、: molecular dynamics、MD法)は、原子ならびに分子物理的な動きのコンピューターシミュレーション手法である。原子および分子はある時間の間相互作用することが許され、これによって原子の動的発展の光景が得られる。最も一般的なMD法では、原子および分子のトラクジェクトリは、相互作用する粒子の系についての古典力学におけるニュートンの運動方程式数値的に解くことによって決定される。この系では粒子間のおよびポテンシャルエネルギー原子間ポテンシャル分子力学力場)によって定義される。MD法は元々は1950年代末に理論物理学分野で考え出されたが[1][2]、今日では主に化学物理学材料科学生体分子のモデリングに適用されている。系の静的、動的安定構造や、動的過程(ダイナミクス)を解析する手法。
分子の系は莫大な数の粒子から構成されるため、このような複雑系の性質を解析的に探ることは不可能である。MDシミュレーションは数値的手法を用いることによってこの問題を回避する。しかしながら、長いMDシミュレーションは数学的に悪条件であり、数値積分において累積誤差を生成してしまう。これはアルゴリズムとパラメータの適切な選択によって最小化することができるが、完全に取り除くことはできない。
エルゴード仮説に従う系では、単一の分子動力学シミュレーションの展開は系の巨視的熱力学的性質を決定するために使うことができる。エルゴード系の時間平均はミクロカノニカルアンサンブル(小正準集団)平均に対応する。MDは自然の力をアニメーションすることによって未来を予測する、原子スケールの分子の運動についての理解を可能にする「数による統計力学」や「ニュートン力学ラプラス的視点」とも称されている[3][4]
MDシミュレーションでは等温、定圧、等温・定圧、定エネルギー、定積、定ケミカルポテンシャル、グランドカノニカルといった様々なアンサンブル(統計集団)の計算が可能である。また、結合長や位置の固定など様々な拘束条件を付加することもできる。計算対象は、バルク表面界面クラスターなど多様な系を扱える。
MD法で扱える系の規模としては、最大で数億原子からなる系の計算例がある。通常の計算規模は数百から数万原子(分子、粒子)程度である。
通常、ポテンシャル関数は、原子-原子の二体ポテンシャルを組み合わせて表現し、これを計算中に変更しない。そのため化学反応のように、原子間結合の生成・開裂を表現するには、何らかの追加の工夫が必要となる。また、ポテンシャルは経験的・半経験的なパラメータから求められる。
こうしたポテンシャル面の精度の問題を回避するため、ポテンシャル面を電子状態の第一原理計算から求める手法もある。このような方法は、第一原理分子動力学法〔量子(ab initio)分子動力学法〕と呼ばれる。この方法では、ポテンシャル面がより正確なものになるが、扱える原子数は格段に減る(スーパーコンピュータを利用しても、最大で約千個程度)。
また第一原理分子動力学法の多くは、電子状態が常に基底状態であることを前提としているものが多く、電子励起状態や電子状態間の非断熱遷移を含む現象の記述は、こうした手法であってもなお困難である。
目次
1.歴史
└1.1.年表
2.応用領域
3.シミュレーション設計の制約
├3.1.小正準集団(NVE)
├3.2.正準集団(NVT)
├3.3.等温定圧(NPT)集団
└3.4.拡張アンサンブル法
4.MDシミュレーションにおけるポテンシャル
├4.1.経験的ポテンシャル
├4.2.対ポテンシャルと多体ポテンシャル
├4.3.半経験的ポテンシャル
├4.4.分極可能なポテンシャル
├4.5.ab-initio法におけるポテンシャル
├4.6.ハイブリッドQM/MM法
└4.7.粗視化表現
5.操舵分子動力学 (SMD)
6.応用例
7.分子動力学アルゴリズム
├7.1.積分器
├7.2.短距離相互作用アルゴリズム
├7.3.長距離相互作用アルゴリズム
└7.4.並列化戦略
8.分子動力学シミュレーションソフトウエアパッケージ
9.脚注
10.参考文献
11.関連項目
出典:Wikipedia
2019/10/23 23:30
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