Программное обеспечение для моделирования и визуализации атомов?

Не уверен, что это вопрос физики или химии. Но если движение атомов и их частиц можно описать с помощью квантовой механики, то существует ли программное обеспечение, которое моделирует полные атомы и их границы таким образом, чтобы вы могли их визуализировать, и которое можно использовать, например, чтобы бросить 2 молекулы? вместе и смотреть, как они реагируют?

Привет, Доккат. Это частично пересекающаяся тема, но, поскольку вы спрашиваете о химических процессах более подробно, чем «X реагирует с Y», я думаю, что здесь все в порядке. Кстати, если вы работаете с научным программным обеспечением, вас может заинтересовать бета-версия сайта Computational Science .
Проблема здесь в том, что нет «одна молекула медленно течет к другой, их электронные облака соприкасаются, и теперь рождается новая молекула», а скорее «есть вероятность 0,000xxx%, что эта система перейдет в это состояние». ', и довольно сложно визуализировать все возможные вероятности....
Молекулярно-динамические исследования часто используют громаки . Я не уверен, есть ли в нем инструмент визуализации, но я знаю, что люди заставляют его работать с некоторыми такими инструментами.
@BarsMonster: Изображение двух медленно движущихся молекул и реконфигурации электронов является почти идеальным приближением Борна Оппенгеймера и вообще не является проблемой. Проблема в большинстве повседневных симуляций заключается в том, что реконфигурация валентных электронов не выполняется динамически, что приводит к совершенно неправильным силам, воздействующим на положение ядра. Это фиксирует Кар Парринелло, доктор медицинских наук (и только гибридными методами, подобными этому, которые используют минимальное количество квантовой химии для нахождения силы). CPMD опишет процесс в соответствии с запросом OP.
Возможные дубликаты: physics.stackexchange.com/q/10311/2451 и ссылки в нем.

Ответы (3)

Для этого существует множество алгоритмов и программ. В дополнение к молекулярной динамике существуют также методы, основанные на статистическом моделировании в Quantum Monte Carlo и теории функционала плотности , реализованной в таких программах, как Quantum Espresso . Самостоятельное программирование этих вещей является простым и полезным упражнением — если вы хотите изучить колебательное поведение молекулы, подверженной некоторому произвольному внешнему потенциалу, вы можете легко сделать это, используя базовые инструменты программирования и визуализации, при условии, что вы установите правильные функции и уравнения для описания вашей системы.

Я отмечу, что все эти алгоритмы имеют явные диапазоны достоверности и лежащие в их основе предположения, и нужно очень тщательно понимать ограничения, прежде чем интерпретировать результаты. Во многих случаях точность и воспроизводимость алгоритмов будут сомнительными, потому что необходимо делать допущения на каком-то уровне, чтобы уменьшить размер системы, поскольку даже самый мощный суперкомпьютер не может справиться с вычислениями с чем-либо, приближающимся к макроскопическому числу частиц. Тем не менее, они могут дать некоторое представление об отправной точке и дать представление о тенденциях.

Изменить, чтобы добавить: см. гигантский список программных приложений для квантовой химии.

Насколько мне известно, ничего, кроме MD, не дает картину, зависящую от времени.
@RonMaimon - Молекулярная динамика Car-Parinello - это уровень теории, который сочетает электронную структуру с MD и реализован в таких кодах, как CPMD .
@Richard Terett: Это интересно, я не знал об этом методе, но, читая описание, если вы хорошо его реализуете, это должен быть идеальный способ решить основную проблему электронной делокализации. Но есть и менее насущная проблема нелокальных электромагнитных сил, которая важна и для больших молекул. Последняя проблема связана со стохастическим приближением. Спасибо за указатель.
@Jen: Важно прямо сказать, что коды MD, не считая CPMD, бесполезны, потому что электронная жидкость моделируется неправильно, что приводит к гораздо более гибким молекулам, чем те, которые вы найдете в природе. Кроме того, только CPMD может заниматься разрывом связей и реформированием. Это единственный правильный метод моделирования. В сочетании с хорошей моделью нелокальной электродинамической силы и хорошей крупнозернистой во времени стохастической модификацией это дает единственный полный ответ на вопрос.
@RonMaimon - Рад, что CPMD заинтересовал вас. Это, конечно, не единственный метод «ab initio MD», но кажется, что уровень техники очень экспериментальный. Недавно я видел несколько лекций по «квантовой динамике», которые переносят традиционные расчеты ab initio в область временной эволюции, но это кажется довольно передовым, например, насколько мне известно, приближение Борна-Оппенгеймера необходимо заменить ядерной волновой функцией. Между прочим, это просто уму непостижимо: petachem.com/demo.html
@Richard Terrett: Я считаю, что это, безусловно, единственный метод «ab initio MD», достаточно шокирует то, что он существует! Создавать электронные потоки с каким-либо реализмом на лету, на первый взгляд, невозможно. Я бы удовлетворился специальной параметризацией потенциальной поверхности молекула за молекулой для крупномасштабных деформаций формы плюс приближение локального потенциала или даже модель объема проводящей/непроводящей области/энергии изгиба. Борн/Оппенгеймер — это последнее, о чем стоит беспокоиться при комнатной температуре. Любой, кто использует ядерную волновую функцию, в основном дурак.
@RonMaimon - тавтологично указывать, что метод, используемый за пределами его диапазона действия, не даст разумных ответов.
@Jen: Это не тавтологично, если диапазон достоверности по сути является пустым набором, когда работают только калибровочные примеры. Есть ли хоть один случай , когда МД атомной силы верен вне своего калибровочного набора?
Поправляя мое предыдущее утверждение: ядерная волновая функция и БО могут счастливо сосуществовать, по словам исследователя в этой области.

квантовый эспрессо — это пакет, который содержит множество различных пакетов для расчетов электронной структуры.

Теперь он доступен в док-контейнере и поэтому очень прост в использовании.

Установленный докер на linux, windows или mac,

вам просто нужно запустить образ докера, который доступен на dockerhub:

docker run -d rinnocente/qe-full-6.0

больше информации на https://hub.docker.com/r/rinnocente/qe-full-6.0 ...

РЕДАКТИРОВАТЬ: Автомобиль Парринелло работает!

Приведенная ниже критика относится только к типу молекулярной динамики, выполненной с использованием молекулярных потенциалов, примером которой является CHARMM. Это единственная молекулярная динамика, с которой я столкнулся, и это полное дерьмо.

Существует второй тип молекулярной динамики, который включает в себя валентные электроны, основной потенциал и умный алгоритм обновления жидкости валентных электронов. Это метод Car Parrinello. Метод Car Parrinello содержит ровно столько информации, сколько нужно для проведения количественно корректного моделирования, это идеальная вычислительная динамика, и я был ошеломлен, узнав об этом. Спасибо Ричарду Терретту за указание на это.

РЕДАКТИРОВАТЬ: ответ на вопрос

Используйте КПМД. Если ваша молекула находится в растворе, используйте CPMD плюс броуновскую случайную силу, представляющую эффекты растворенного вещества.

Критика всего остального

Существует программное обеспечение, которое утверждает, что делает это, оно называется (не CPMD) молекулярной динамикой, и молекулярная динамика часто используется в химии и материаловедении для создания симуляций, которые, как утверждают сторонники, количественно точны для предсказания подробного микроскопического движения, скажем, органических молекул. .

Принципы, лежащие в основе этого программного обеспечения, в корне ошибочны, и без огромных модификаций оно просто не дает количественно точных результатов. Молекулярная динамика количественно не работает ни с чем, кроме однородных непроводящих твердых тел и малых молекул, на соответствие которым она откалибрована.

Я считаю это большой проблемой, так как много денег, потраченных на исследования, уходит на создание этого программного обеспечения и его калибровку, и есть много людей, вовлеченных в продвижение этого материала, что является пустой тратой времени и денег.

Что такое молекулярная динамика?

Идея состоит в том, чтобы смоделировать каждый атом как точку и задать закон силы между соседними атомами каждого отдельного типа. Таким образом, существует закон силы CC, который моделирует предпочтительные углы связи, закон силы HC, закон силы OC и закон силы OO. Затем вы суммируете силы. Затем вы корректируете модель для трехъядерных взаимодействий, таких как взаимодействие HHO, которое фиксирует валентный угол воды, и так далее, пока не получите разумное соответствие большому количеству экспериментальных данных.

Затем вы берете молекулу, структура которой вам известна, и моделируете атомы, используя эти законы силы, выведенные из простых молекул и одноатомных твердых тел. Идея состоит в том, что вы получаете приблизительное представление о динамике только по структуре. Это позволяет получить динамическую картину химии

Молекулярная динамика — полная подделка

Причина, по которой молекулярная динамика терпит неудачу, заключается в том, что соответствующие электронные и электромагнитные силы между атомами и молекулами вовсе не локальны, даже в хорошем приближении, а фундаментальное приближение в молекулярной динамике состоит в том, что вы можете моделировать их, используя локальные силы, локальные толчки и притяжения, которые не зависят от глобального положения далеких атомов. Предполагается, что эти силы являются механическими, подобно силам в игрушечной модели, и это означает, что силы передаются между атомами подобно звуковым волнам, в то время как в реальных молекулах соответствующие силы часто являются чисто электронными и крайне нелокальными.

Это просто проиллюстрировать с помощью симметричных молекул: если у вас есть бензольное кольцо, электроны распространяются по кольцу, как провод, по которому течет ток, и эти потоки электронов придают кольцу жесткость, как микроскопической жесткой металлической проволоке. Механические свойства бензола не могут быть аппроксимированы моделью, не учитывающей делокализованные электроны в кольце. Электронные токи прерываются движением атомов углерода, и они передают силы со скоростью изменения плотности электронов (орбитальная скорость электронов в модели Бора намного больше скорости звука).

Это не нетипичная ситуация. Молекулярные остовы ДНК, РНК содержат делокализованные электроны, а механические свойства молекул определяются областями делокализации электронов. Вы просто не можете предсказать жесткость ДНК, зная жесткость двухатомных или трехатомных частей, не зная простых путей делокализации электронов.

Эту проблему почти невозможно решить, потому что добавление большего количества нелокальных сил требует сложных вычислений, которые принципиально отличаются от двухчастичных и трехчастичных потенциалов. Они требуют, по крайней мере, отдельной модели потока жидкости над атомами, что даст делокализованный поток электронов.

Это поправимо?

Я думаю, что основная идея МД неверна, поэтому я не питаю никакой надежды на то, что она когда-либо будет полезна. Но другая идея может сделать то же самое правильно.

Чтобы что-то вроде MD работало, оно должно учитывать как минимум:

  • Делокализованные электроны в молекулах
  • дальнодействующие электромагнитные взаимодействия

Самое главное, даже если вы знаете точные силы, идея моделирования молекулярного движения с помощью ускорений и столкновений просто идиотская. Моделирование должно быть как минимум стохастическим, а не детерминированным, чтобы потоки импульса через каждую локальную область определялись методом Монте-Карло, в то время как стохастическая динамика моделировала только медленные глобальные переменные (такие как общая форма молекул). Мелкие вещи всегда либо заморожены (например, электроны), либо находятся в тепловом равновесии (например, колеблющиеся ядра или маленькие молекулы).

  • MD должен учитывать локальное статистическое равновесие.

CPMD решает основную проблему электронной делокализации. Этот вопрос настолько актуален, потому что без него молекулярные симуляции в основном мошеннические.

Понижение прочь, MD все еще дерьмо.
Не ДВ, но несколько моментов. Хотя это забавно, вы ошибаетесь в следующем: во-первых, MD — не единственная игра в городе, когда дело доходит до таких вещей, и это не вопрос о том, насколько плоха MD, хотя я предполагаю, что это так. находится в пределах досягаемости. Во-вторых: вы правы в том, что MD не работает с нелокальными электронами, но опять же, как вы указываете, это не предназначено - не сердитесь на тостер, потому что он не может косить траву! Третье: не изобретайте велосипед снова. Существуют DFT, QMC и многие другие с основными условиями достоверности и применимости.
@Jen: Проблема с MD заключается в том, что он продается как действительно точный для чего-то , и люди втягиваются в него и пишут фиктивные документы на основе результатов. DFT слишком интенсивен в численном отношении для моделирования реальной жизни. Единственное, что на самом деле делают делокализованные электроны, — это создают определенные энергии изгиба в делокализованных цепочках, которые можно аппроксимировать геометрически без полного моделирования деталей. Вы можете дать описание изгиба садового шланга, просто используя грубую модель для воды, но если вы просто используете эластичность резины и через нее течет вода...
Квантовый метод Монте-Карло также не годится для моделирования в реальном времени. Идея молекулярной динамики, заключающаяся в выполнении классического моделирования с использованием закона силы, верна (если реализована стохастически с правильной грубой шкалой времени). Это просто фактическая реализация, которая не параметризует делокализованные электроны и нелокальные электромагнитные силы, которая не работает. Феноменологически смоделировать и то, и другое не так уж сложно, не требуя больших вычислительных ресурсов, но требующих одноразовых данных о том, как электронная энергия делокализованных электронов в различных атомных кластерах зависит от формы.