El método de dinámica molecular (método MD) es un método en el que se rastrea la evolución temporal de un sistema de átomos o partículas que interactúan mediante la integración de sus ecuaciones de movimiento [1] [2] [3]
El método de dinámica molecular es aplicable si la longitud de onda de De Broglie de un átomo (o partícula) es mucho menor que la distancia interatómica .
Además, la dinámica molecular clásica no es aplicable a los sistemas de modelado que consisten en átomos ligeros como el helio o el hidrógeno . Además, a bajas temperaturas, los efectos cuánticos se vuelven decisivos y, para considerar tales sistemas, es necesario utilizar métodos químicos cuánticos . Es necesario que los tiempos en los que se considere el comportamiento del sistema sean mayores que el tiempo de relajación de las magnitudes físicas estudiadas .
El método de la dinámica molecular clásica (todos los átomos) hace posible, utilizando computadoras modernas , considerar sistemas que consisten en varios millones de átomos en tiempos del orden de varios picosegundos. El uso de otros enfoques (modelos atómicos pesados, de grano grueso [coarse-grained [1] )] permite aumentar el paso de integración y, por lo tanto, aumentar el tiempo disponible para la observación hasta el orden de los microsegundos. Resolver tales problemas requiere cada vez más una gran potencia informática, que poseen las supercomputadoras .
El desarrollo de la dinámica molecular procedió de dos maneras. El primero, generalmente llamado clásico (cuando se calculan las trayectorias de los átomos) tiene una historia bastante larga. Vuelve al problema de la dispersión de dos partículas, que se puede resolver analíticamente. Sin embargo, como es bien sabido, incluso para tres partículas existen obstáculos que dificultan la solución analítica. Un ejemplo es la reacción química simple H + H 2 \u003d H 2 + H. Para tal reacción , Hirschfelder , Eyring , Topley en 1936 intentaron calcular varios pasos a lo largo de una de las trayectorias. Pasaron 30 años antes de que la posibilidad de tal cálculo fuera posible en una computadora. Más tarde, el enfoque clásico se vio reforzado por cálculos semiclásicos y químicos cuánticos en aquellas áreas donde la influencia de los efectos cuánticos se hizo significativa [4] . La segunda forma de desarrollar el método de la dinámica molecular fue el estudio de las propiedades termodinámicas y dinámicas de los sistemas. Las ideas detrás de este camino se remontan al trabajo de van der Waals y Boltzmann .
Cabe señalar varios trabajos clave que determinaron el desarrollo del método de dinámica molecular. El primer trabajo sobre modelado de dinámica molecular se publicó en 1957. Sus autores fueron Alder y Waingwright [5] . El objetivo del trabajo fue investigar el diagrama de fase de un sistema de esferas duras y, en particular, las regiones de un cuerpo sólido y un líquido. En un sistema de esferas duras, las partículas interactúan directamente tras la colisión y se mueven como partículas libres entre colisiones. Los cálculos se realizaron en computadoras UNIVAC y computadoras IBM 704 .
El artículo Dinámica del daño por radiación , JB Gibson , AN Goland , M. Milgram , GH Vineyard [6] del Laboratorio Nacional de Brookhaven y publicado en 1960 fue quizás el primer ejemplo de simulación de potencial continuo. En el trabajo de integración se utilizó el método de diferencias finitas . Los cálculos se llevaron a cabo en un IBM 704 y un paso tomó alrededor de un minuto. El artículo consideraba la formación de defectos en el cobre causados por daños por radiación. La temática de la obra se debió a los problemas de protección contra ataque nuclear.
Aneesur Rahman del Laboratorio Nacional de Argonne estudió las propiedades del argón líquido utilizando el potencial de Lennard-Jones en su artículo de 1964 Correlación en el movimiento de los átomos en el argón líquido [7] . El sistema constaba de 864 átomos. resultados se obtuvieron en una computadora 3600 El código de programa utilizado para los cálculos formó la base de muchos programas posteriores.
Loup Verlet calculó en 1967 [8] el diagrama de fase del argón usando el potencial de Lennard-Jones y modeló las funciones de correlación para probar la teoría del estado líquido. En su trabajo, desarrolló un procedimiento para ahorrar recursos computacionales, ahora conocido como la lista de vecinos de Verlet , y también propuso un nuevo método para la integración numérica de las ecuaciones de movimiento .
El método de la dinámica molecular, desarrollado originalmente en la física teórica , se ha generalizado en la química y, desde la década de 1970, en la bioquímica y la biofísica . Desempeña un papel importante en la determinación de la estructura de una proteína y el refinado de sus propiedades (ver también cristalografía , RMN ). La interacción entre objetos puede ser descrita por un campo de fuerza ( dinámica molecular clásica ), un modelo químico cuántico , o una teoría mixta que contiene elementos de los dos anteriores (QM/MM (mecánica cuántica/mecánica molecular QMMM )
Los paquetes de software más populares para modelar la dinámica de moléculas biológicas son: AMBER , CHARMM (y la versión comercial CHARMm ), GROMACS , GROMOS , LAMMPS , HOOMD-blue y NAMD .