شبیه سازی چیست؟
پیش از هر چیز ابتدا باید به چیستی شبیه سازی بپردازیم تا بعد بتوانیم درباره شبی سازی دینامیک مولکولی صحبت کنیم. شبیه سازی همانطور که از اسمش بر می آید در حقیقت ساختن یک مدل از واقعیت سیستم در یک کامپیوتر است که شرایط حقیقی را شبیه سازی می کند و با نادیده گرفتن برخی پارامتر ها به ما کمک می کند تا درک کلی و درستی از آنچه در حقیقت رخ می دهد را به دست آوریم.
برای مثال، وقتی از معادلات مکانیک نیوتونی برای محاسبه سرعت یک توپ در حال حرکت استفاده می کنید به نوعی دارید سیستم آن را با معادلاتتان شبیه سازی می کنید و درک صحیحی از نحوه حرکت آن، سرعتی که دارد و … به دست می آورید. با استفاده از این معادلات، شما می توانید پیش بینی کنید که مثلا سه ثانیه پس از آغاز حرکت، توپ با چه سرعتی، در چه مسیری و به چه نحوی حرکت می کند.
کامپیوتر نیز با داشتن همین معادلات به محاسبه پرداخته و برای شما این امکان را فراهم می کند تا به راحتی بتوانید درباره سیستمی که شبیه سازی می کنید دست به پیش بینی بزنید.
شبیه سازی راه ها و روش های گوناگونی دارد که هر یک از آن ها مزایا و معایبی دارند؛ برخی از آن ها بر مبنای فیزیک کوانتوم، برخی بر مبنای ترمودینامیک و برخی دیگر مبنی بر احتمال و … هستند. هر یک از این ها امکاناتی را در اختیار کاربران قرار داده و از طرف دیگر از برخی امکانات محروم می کند؛ برای مثال، شبیه سازی های کوانتومی برای سیستم های بسیار کوچک و در سطح اتمی قابل اجرا است؛ چیزی که در شبیه سازی دینامیک مولکولی قابل انجام نیست؛ اما از طرف دیگر با تخمین های بسیار زیادی همراه است.
شبیه سازی دینامیک مولکولی چیست؟
به طور کلی در هر شبیه سازی، تعدادی معادله ریاضیاتی به عنوان معادلات اصلی وجود دارد که همه محاسبات بر مبنای آن ها انجام می شود. مثلا در شبیه سازی های کوانتومی، مبنای محسابات معادله شرودینگر است.
در روش شبیه سازی دینامیک مولکولی، مبنای محاسبات معادلات نیوتون است و همان سه قانون معروف نیوتون حکمرانی می کنند. البته بیان های مختلفی از این معادلات استفاده می شود که هر کدام در جای خودشان کاربرد های خاصی را دارند. اما به طور کلی مبنای روش دینامیک مولکولی همان سه معادله اصلی نیوتون است.
در این روش شبیه سازی، در حقیقت ما فقط حرکت ذرات و اثر برهمکنش های آنان بر یکدیگر را بررسی می کنیم و به طور ویژه کاری به ایجاد پیوند های شیمیایی نداریم. در این روش تنها به بررسی رفتار حرکتی ذرات می پردازیم و برهمکنش آن ها با یکدیگر را محاسبه می کنیم.
با استفاده از این روش ما می توانیم به بررسی سیستم های بسیار زیادی، از غشا های تصفیه گاز و مایعات گرفته، تا بررسی نانو ساختار ها و یا کرستال های آلی و معدنی و … بپردازیم.
در شبیه سازی، کامپیوتر دقیقا چکار می کند؟
برای آن که یک شبیه سازی انجام شود به چند فایل نیاز است تا کامپیوتر تمامی اطلاعات سیستم ما را داشته باشد. برای این کار نیاز است تا ابتدا نوع و مختصات دقیق مولکول ها را برای کامپیوتر مشخص کنیم. سپس نیاز است تا ویژگی های ذاتی این مولکول ها اعم از طول پیوند ها، زاویه پیوندی و … را مشخص کنیم.
پس از این دو مرحله به تعیین شرایط میحطی می پردازیم و برای کامپیوتر دمای سیستم و فشار و … را تعیین می کنیم و در نهایت از او می خواهیم تا بر اساس یک سری معادلات خاص کار را انجام دهد. برای مثال از او می خواهیم که پتانسیل های بین مولکولی را با استفاده از منحنی لنارد – جونز محاسبه کند و … و حالا می توانیم شبیه سازی را استارت بزنیم تا کامپیوتر بر اساس آنچه به او داده ایم کار را انجام دهد.
در این زمان کامپیوتر فقط تعدادی معادله را حل می کند و بر حسب آنچه که از او خواسته ایم در فریم های زمانی مشخصی یک خروجی به ما می دهد که در آخر برای رسم نمودار ها و ایجاد نمای تصویری شبیه سازی از آن ها استفاده خواهیم کرد.
در مقالات بعدی به شرح بیشتری از شبیه سازی و روش های مختلف آن می پردازیم.
