h
-۰.۵۷۰۵۸
λ۱
۳.۲۳۹۴)۱/A(
λ۲=λ۳
۱.۳۲۵۸)۱/A(
۴-۲-پتانسیل لنارد –جونز:
پتانسیل لنارد-جونز یک پتانسیل تقریبی برای توصیف برهمکنش میان دو ذره (اتم یا مولکول) است که در فاصلههای دور نیروی رباینده و در فاصلههای نزدیک نیروی راننده دارند. نیروی رباینده معمولاً نیروی واندروالسی و نیروی راننده، نیروی رانش ناشی از همپوشانی ابر الکترونی دو ذره است (نیروی پاؤلی که از اصل طرد پاولی میآید). رابطه ریاضی این پتانسیل به شکل زیر است:
( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
(۴-۲):
در این رابطه نشانگر عمق چاه پتانسیل است و فاصلهای است که در آن پتانسیل صفر میشود. این پارامترها را معمولاً با برازش دادههای آزمایشگاهی تعیین میکنند یا از محاسبات دقیق در شیمی کوانتومی به دست میآورند. پتانسیل لنارد-جونز را گاهی پتانسیلL-J یا پتانسیل ۶-۱۲ هم مینامند.
این پتانسیل فقط یک تقریب است و از نظریه ی بنیادیتری به دست نیامده است. توان ۱۲ در جمله ی نخست فقط برای افزایش سرعت محاسبات برگزیده شده است( توان دوم است). با این حال، پتانسیل لنارد-جونز بهخاطر سادگیاش اغلب برای مدلسازی خواص گازها و مولکولها به کار میرود و تقریب خوبی بهویژه برای گازهای نجیب است.
روشهای تازهتری نیز برای توصیف دقیقتر برهمکنش میان مولکولها پیشنهاد شدهاند مانند معادله ی استوک-میریا معادله ی چندگانه. روشهای شیمی کوانتومی مانند نظریه اختلال مولر-پلِسِت، روش خوشه ی جفتیده یا پتانسیل کامل برهمکنش به نتایج بسیار دقیقتری میانجامند، ولی توان محاسباتی بیشتری را نیز میطلبند.نمودار(۴-۱): نمودار پتانسیل لنارد-جونز می باشد.
(شکل۴-۱):پتانسیل لنارد-جونز
۴-۳- میدان نیروی چارم
میدان نیروی چارم برای مولکولهای زیستی نظیر پروتئین ها، DNA،RNA و غیره توسعه داده شده است. نسخه های متفاوتی از این میدان نیرو در دسترس است. نسخه CHARMM19 برای مدل UNITED-ATOM که در آن هیدروژن ها در نظر گرفته نمی شوند توسعه داده شده و نسخه های CHARMM22 و CHARMM27برای مدل All-atom گسترش یافته است. جهت بدست آوردن بار جزیی اتم ها در این میدان نیروها، از محاسبات شیمی کوانتومی هنگامی که ترکیب مورد نظر با آب برهمکنش می کند استفاده می کنند. CHARMM27 پارامترهای مربوط به مدل آب TIP3P را در خود دارد.CHARMM27 برای شبیه سازی DNA، RNA و lipids مورد استفاده قرار می گیرد[۴۶-۴۷]. بعضی مواقع نیاز است برای شبیه سازی یک سیستم همانند پروتئین – دی ان آ از ترکیب این میدان نیروها استفاده کنیم. میدان نیرو برای بعضی از ترکیبات مانند شکر، ترکیبات فلوئوردار نیز سایت چارم قابل دریافت است. ممکن است میدان نیروی چارم در بعضی از بسته های دینامیک مولکولی که آن را پشتیبانی می کنند استفاده گردد [۴۸]. لمپس یکی از آنها است و می توان با بهره گرفتن از ابزارهایی که در آن وجود دارد از این میدان نیرو استفاده کرد. در سال ۲۰۰۹، برای مولکولهای دارو-گونه یک میدان نیرو بنام CGenFF معرفی شد که از سایت چارم قابل دانلود است. قابل ذکر است که این میدان نیرو برای دانلود رایگان است. این میدان نیرو گستره وسیعی از مولکولها زیستی و دارو-گونه را پوشش می دهد[۴۹-۵۰]. به طور کلی میدان نیرو برای پوشش دادن هر ترکیبی ازگروه های شیمیایی طراحی شده اند.که این مسئله با کاهش دقت و صحت برای نمایش هر زیر گروه خاصی از مولکول هاهمراه است. به کاربران بارها و بارها در وب سایت چارم هشدار داده می شود که از میدان نیروی CGenFF برای مولکول هایی که قبلاً برای آنها میدان نیرو تعریف شده است استفاده نکنند (همانند پروتئین ها، اسید آمینه ها و غیره)[۵۱-۵۲].
میدان نیروی چارم از سایت زیر (بصورت رایگان) قابل دسترس است:
http://mackerell.umaryland.edu/charmm_ff.shtml
۴-۴- ویژگی ها و قابلیت های برنامه لمپس
لمپس یک کد دینامیک مولکولی کلاسیک می باشد که گروهی از ذرات مایع گاز یا جامد را مدل می کند. لمپس می تواند سیستم های اتمی، مواد معدنی، زیستی پلیمری و درشت دانه ها را با بهره گرفتن از انواع میدان نیروها و شرایط مرزی شبیه سازی کند. برنامه لمپس به طور موثر در تک پردازنده لپ تاپ اجرا می شودو برای کامپیوترهای parallel طراحی شده است. لمپس می تواند روی هر ماشین parallel که برنامه C++ را کامپایل می کند و (MPI( message-passing library را پشتیبانی می کند اجرا شود. لمپس می تواند سیستم های با چند ذره تا میلیون ها یا بیلیون ها ذره را مدل کند. متن آزاد است و می توان بنابر کار مخصوص که مورد نظر می باشد به آن برنامه ایی را افزود یا اینکه برنامه های آن را ویرایش نمود. نسخه جاری لمپس باC++ نوشته شده است. نسخه های قبلی در F77 و F99 نوشته شده بودند. به طورکلی لمپس معادلات حرکت نیوتن برای مجموعه ای از اتم ها ،مولکول ها یا ذرات ماکروسکوپی که برهمکنش می کنند با نیروهای کوتاه یا بلند مدت با انواع ابتدایی یا شرایط مرزی برهمکنش می کنند را ادغام می کند. پتانسیل هایی که توسط لمپس پشتیبانی می شود شامل گروه وسیعی از پتانسیل ها می باشد و همه ی آن ها نرم می باشند. در ماشین های موازی لمپس از تکنیک های فضایی تجزیه برای تقسیم بندی دامنه شبیه سازی به زیر دامنه های سه بعدی کوچک، که هر کدام از آنها به یک پردازنده اختصاص داده شده است استفاده می کند. در طول شبیه سازی می توان جعبه را تغییر شکل داد. خروجی هم به شکل های مختلفی وجود دارد و اطلاعات در فایل log ذخیره می شود. لمپس یک نرم افزار پر کار آمد برای سیستم هایی می باشد که ذرات در یک جعبه مستطیل شکل سه بعدی با چگالی تقریباً یکنواخت پر می شوند.
۴-۵- نرم افزار پکمول
یک پیکربندی اولیه مناسب برای شبیه سازی دینامیک مولکولی شامل آرایش مولکول های توزیع شده در فضا است به گونه ای که ساختار سیستم شبیه سازی را نمایش دهد. برای اینکه سیستم شبیه سازی توسط نیروهای دافعه بزرگی که ناشی از همپوشانی اتم ها ظاهر است دچار اختلال نشود، نیاز داریم اتم ها را در یک فاصله مطمئن از هم قرار دهیم تا همپوشانی اتفاق نیفتد. بدست آوردن این چنین آرایش در فضای سیستم شبیه سازی، خود یک مساله است. این مساله را با بهره گرفتن از توسعه یک کد حل شده است، که می تواند میلیون ها اتم را با یک فاصله مفروض از هم در آرایش و ناحیه های دلخواه قرار دهد. ناحیه ها می تواند کروی، بیضی گون، استوانه، صفحه و جعبه باشد. کاربر برای استفاده از این کد، بایستی هر نوع ساختار ملکولی را داشته باشد. برنامه ساده ای که نمونه آن در زیر آورده شده است می تواند پیکربندی اولیه را بدست آورد.
tolerance 2.0
filetype pdb
output mixture.pdb
structure water.pdb
number 1000
inside box 0. 0. 0. 40. 40. 40.
end structure
structure urea.pdb
number 400
inside box 0. 0. 0. 40. 40. 40.
end structure
این برنامه ساده، جعبه ای مکعب شکل به ابعاد ۴۰ آنگستروم را در نظر می گیرد و در داخل آن بصورت تصادفی، ۱۰۰۰ ملکول آب و ۴۰۰ ملکول اوره قرار می دهد و در یک فایل خروجی از نوع pdb با نام mixture.pdb قرار می دهد.
پکمول نسخه لینوکسی و نسخه ویندوزی دارد که هر دو از سایت زیر قابل دانلود است. این کد رایگان می باشد.
http://www.ime.unicamp.br/~martinez/packmol
فصل ۵:
شبیه سازی و نتایج
۵-۱- مقدمه:
حال می خواهیم نتایجی که ازاین شبیه سازی به دست آورده ایم را توضیح دهیم.برای آغاز شبیه سازی ابتدا باید سیستم مورد نظر را تعریف کنیم و پتانسیل هایی را که برای اتم ها در نظر گرفته شده را مشخص کنیم. کارهایی که باید انجام دهیم: تعیین ابعاد جعبه شبیه سازی، گام زمانی، لیست همسایه ها و شرایط مرزی و…..است. در اینجا دو فایل ورودی و فایل داده ها را داریم. فایل داده شامل: مختصات اتم ها، بار و جرم اتم ها، پیوندها ، زاویه ها، ایمپراپرها و دایهدرال ها است و اما فایل ورودی شامل مشخصات راه اندازی می باشد. وقتی که فایل داده بوسیله فایل ورودی فراخوانی شد شبیه سازی گام به گام جلو رفته و داده های به دست آمده در فایل هایی ذخیره می شود. در آخر از طریق داده هایی که به دست می آیند نمودارهای مطلوب را رسم می کنیم و از طریق این نمودارها رفتار کمیت های مورد نظر در این پایان نامه را تفسیر خواهیم کرد.