आणविक यांत्रिकी

इस ईथेन अणु की बंधन खींचने वाली ऊर्जा को कम करने के लिए एक बल क्षेत्र (रसायन विज्ञान) का उपयोग किया जाता है।

आणविक यांत्रिकी प्रतिरूपण आणविक प्रणालियों के लिए चिरसम्मत यांत्रिकी का उपयोग करती है। बोर्न-ओपेनहाइमर समीपता को मान्यता देते हुए प्रणालियों की संभावित ऊर्जा की गणना बल क्षेत्र (रसायन विज्ञान) का उपयोग करके परमाणु निर्देशांक के एक कार्य के रूप में की जाती है। आणविक यांत्रिकी का उपयोग छोटे से लेकर बड़े जैविक प्रणालियों या कई हजारों से लाखों परमाणुओं के साथ सामग्री संयोजनों के आकार और जटिलता के अणु प्रणालियों का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है।

सभी-परमाणु आणविक यांत्रिकी विधियों में निम्नलिखित गुण हैं:

• प्रत्येक परमाणु को एक कण के रूप में अनुकरण किया जाता है
• प्रत्येक कण को ​​एक अर्धव्यास सामान्यतः वैन डेर वाल्स त्रिज्या, ध्रुवीकरण,और एक स्थिर शुद्ध आवेश (सामान्यतः क्वांटम गणना) सौंपा गया है।
• योगात्मक प्रभाव को प्रयोगात्मक या गणना की गई योगात्मक लंबाई के बराबर संतुलन दूरी के साथ स्प्रिंग्स के रूप में माना जाता है।

इस विषय पर रूपांतरण संभव हो रहे हैं। उदाहरण के लिए,कई सतत अनुकरण ने ऐतिहासिक रूप से एक संयुक्त परमाणु प्रतिनिधित्व का उपयोग किया है जिसमें प्रत्येक समय-समय पर मिथाइल समूह या मध्यवर्ती मेथिलीन पुल को एक कण माना जाता था,और बड़े प्रोटीन प्रणाली को आमतौर पर एक बीड प्रतिरूपण का उपयोग करके प्रति एमिनो एसिड दो से चार कण निर्दिष्ट करके सतत अनुकरण किया जाता था।

कार्यात्मक रूप

आणविक यांत्रिकी निरंतर विलायक के साथ संभावित ऊर्जा कार्य।

निम्नलिखित कार्यात्मक सारांश,जिसे रसायन विज्ञान में संभावित अंतर-परमाणु कार्य या बल क्षेत्र कहा जाता है, आणविक प्रणाली की संभावित ऊर्जा (E) की व्यक्तिगत ऊर्जा के योग के अंतर्गत दी गई रचना में गणना करता है।

$\ E=E_{\text{covalent}}+E_{\text{noncovalent}}\,$

जहां सहसंयोजक और गैर-सहसंयोजक योगदान के घटक निम्नलिखित योगों द्वारा दिए गए हैं:

$\ E_{\text{covalent}}=E_{\text{bond}}+E_{\text{angle}}+E_{\text{dihedral}}$

$\ E_{\text{noncovalent}}=E_{\text{electrostatic}}+E_{\text{van der Waals}}$

संभावित कार्य या बल क्षेत्र का सटीक कार्यात्मक रूप,उपयोग किये जा रहे विशेष सतत अनुकरण कार्यक्रम पर निर्भर करता है। सामान्यतः सम्बन्ध और कोण के शब्दों को संभावित सामंजस्य के रूप में तैयार किया जाता है जो प्रयोग से प्राप्त परस्पर संतुलन -लंबाई मान के आसपास केंद्रित होता है जो गॉसियन (सॉफ़्टवेयर) जैसे प्रारंभिक प्रकार की विद्युत संरचना की सैद्धांतिक गणना करता है। कंपन विस्तार के सटीक पुनरुत्पादन के लिए,गणितीय मूल्य पर इसके अतिरिक्त मोर्स क्षमता का उपयोग किया जा सकता है। द्वितल या क्षणिक शब्दों में सामान्यतः कई सूक्ष्म संख्या होती हैं और इस प्रकार उन्हें सरल आवर्ती दोलक के रूप में नहीं बनाया जा सकता है, हालांकि उनका विशिष्ट कार्यात्मक रूप कार्यान्वयन के साथ भिन्न होता है। शब्दों के इस वर्ग में अनुचित द्वितल शब्द सम्मिलित हो सकते हैं, जो बाहरी विषय वस्तु के स्थानांतरण के लिए सुधार कारक के रूप में कार्य करते हैं ;उदाहरण के लिए, उनका उपयोग योजनाबद्ध बेंजीन घेरा रखने के लिए या संयुक्त-परमाणु प्रतिनिधित्व में त्रिकोणीय परमाणुओं की सही रेखा और बनावट के लिए किया जा सकता है,

पूर्ण रूप से गणना करने के लिए गैर-बंधित शब्द गणितीय रूप से बहुत अधिक बहुमूल्य हैं, क्योंकि एक विशिष्ट परमाणु अपने कुछ परमाणु से नज़दीक से ही जुड़ा होता है,लेकिन अणु में हर दूसरे परमाणु के साथ संपर्क करता है। संयोग से वैन डेर वाल्स बल की अवधि तेजी से गिरती है,इसे सामान्यतः 6-12 लेनार्ड-जोन्स क्षमता का उपयोग करके तैयार किया जाता है,जिसका अर्थ है कि आकर्षक बल r⁻⁶ और प्रतिकारक बल r⁻¹² के रूप में दूरी के साथ गिर जाते हैं,जहाँ r दो परमाणुओं के बीच की दूरी को दर्शाता है। हालांकि,प्रतिकारक भाग r⁻¹² अभौतिक है, क्योंकि प्रतिकर्षण तीव्रता से बढ़ता है। लेनार्ड-जोन्स 6–12 क्षमता द्वारा वैन डेर वाल्स बलों का विवरण अशुद्धि का परिचय देता है, जो कम दूरी पर महत्वपूर्ण हो जाता है। सामान्यतः एक कटी हुयी त्रिज्या का उपयोग गणना को गति देने के लिए किया जाता है ताकि परमाणु जोड़े जो कि कटी हुयी त्रिज्या से अधिक दूरी पर हैं,वहां वैन डेर वाल्स परस्पर क्रिया की ऊर्जा शून्य हो।

दीर्घकालिक स्थिर वैद्युत भंडारण परस्पर क्रिया प्रणाली की अध्ययन के तहत महत्वपूर्ण विशेषताएं होती हैं क्योंकि ये शब्द सटीक गणना करने के लिए प्रत्यक्ष रूप से कठिन हैं क्योंकि वे दूरी के साथ तेजी से नहीं गिरते हैं (विशेष रूप से प्रोटीन के लिए)। मूल कार्यात्मक रूप कूलम्ब क्षमता का नियम है,जो केवल r⁻¹ के रूप में गिरता है। इस समस्या का समाधान करने के लिए कई प्रकार के तरीकों का उपयोग किया जाता है,जिसमे वैन डेर वाल्स की तुलना में सबसे सरल और समानांतर एक कटी हुयी त्रिज्या का उपयोग किया जाता है। हालाँकि,यह त्रिज्या अंदर के परमाणुओं और त्रिज्या के बाहर के परमाणुओं के बीच एक तीव्र विच्छिन्नता का परिचय देता है। प्रत्यक्ष स्थिर वैद्युत भंडारण ऊर्जा को संशोधित करने के लिए स्विचिंग या स्केलिंग कार्य कुछ अधिक सटीक तरीके हैं जो गणना की गई ऊर्जा को बाहरी और आंतरिक कटी हुयी त्रिज्या पर 0 से 1 तक सुचारू रूप से बदलते स्केलिंग कारक से गुणा करते हैं। इसके अतिरिक्त इवाल्ड योग विधि (पीएमई) और मल्टीपोल एल्गोरिथम विधि अधिक गणात्मक और परिष्कृतरूप से गहन विधियाँ हैं ।

प्रत्येक ऊर्जा अवधि के कार्यात्मक रूप के अलावा, एक उपयोगी ऊर्जा कार्य बल स्थिरांक, वैन डेर वाल्स गुणात्मक और अन्य स्थिर स्तिथियों के लिए मापदण्ड निर्दिष्ट किया जाना चाहिए। ये शब्द,संतुलन बंधन,कोण और द्वितल मान,आंशिक आवेश मान,परमाणु भार और त्रिज्या और ऊर्जा कार्य परिभाषाओं के साथ सामूहिक रूप से एक बल क्षेत्र कहलाते हैं। मानकीकरण सामान्यतः प्रयोगात्मक मूल्यों और सैद्धांतिक गणना परिणामों के साथ समझौते के माध्यम से किया जाता है। पुर्व एमएम 4 संस्करण में नॉर्मन एल. एलींगर के बल क्षेत्र की गणना 0.35 kcal/mol की आर एम एस त्रुटि के साथ हाइड्रोकार्बन के गठन की ऊष्मा, 24 सेमी की आर एम एस त्रुटि के साथ कंपन स्पेक्ट्रा के लिए की जाती है^-1, 2.2 की आर एम एस त्रुटि के साथ घूर्णी अवरोध° सी-सी आबंध लंबाई 0.004 ए के भीतर और सी-सी-सी कोण 1° के भीतर{{{1}}} बाद में एम एम 4 संस्करणों में वर्णमाला क्रमिक व्याख्या जैसे विषम परमाणु के साथ यौगिक भी सम्मिलित हैं।

प्रत्येक बल क्षेत्र को आंतरिक रूप से सुसंगत होने के लिए मानकीकृत किया जाता है, लेकिन मानकीकरण सामान्यतः एक बल क्षेत्र से दूसरे में स्थानांतरित नहीं होते हैं।

आवेदन के क्षेत्र

आणविक यांत्रिकी का मुख्य उपयोग आणविक गतिकी के क्षेत्र में है। यह प्रत्येक कण पर कार्यरत बलों की गणना करने के लिए बल क्षेत्र का उपयोग करता है और कणों की गतिशीलता को प्रतिरूपण करने और प्रक्षेप पथ की भविष्यवाणी करने के लिए एक उपयुक्त पूर्णांक है। पर्याप्त नमूनाकरण और एर्गोडिक परिकल्पना के अधीन,आणविक गतिकी प्रक्षेपवक्र का उपयोग किसी प्रणाली के ऊष्मा गतिकी मापदंडों का अनुमान लगाने या गतिज गुणों की जांच करने के लिए किया जा सकता है,जैसे कि प्रतिक्रिया दर और तंत्र।

आणविक यांत्रिकी का एक अन्य अनुप्रयोग ऊर्जा न्यूनीकरण है,जिससे बल क्षेत्र का उपयोग अनुकूलन मानदंड के रूप में किया जाता है। न्यूनतम स्थानीय ऊर्जा की आणविक संरचना को खोजने के लिए यह विधि उपयुक्त एल्गोरिदम (जैसे ग्रेडियेंट वंश) का उपयोग करती है। ये अतिसूक्ष्म अणु के स्थिर विन्यास के अनुरूप होते हैं और आणविक गति को इन स्थिर विन्यास के बीच चारों ओर कंपन और अंतर्संबंध के रूप में तैयार किया जा सकता है। न्यूनतम वैश्विक ऊर्जा को खोजने के लिए वैश्विक ऊर्जा अनुकूलन के साथ संयुक्त स्थानीय ऊर्जा न्यूनीकरण विधियों को खोजना सामान्य है। परिमित तापमान पर,अणु अपना अधिकांश समय इन निम्न-स्थित अवस्थाओं में व्यतीत करता है, जो इस प्रकार आणविक गुणों पर हावी हो जाता है। सतत अनुकरण ऊष्मा,मेट्रोपोलिस-हेस्टिंग्स एल्गोरिथम और अन्य मोंटे कार्लो विधियों का उपयोग करके या असतत या निरंतर अनुकूलन के विभिन्न नियतात्मक तरीकों का उपयोग करके वैश्विक अनुकूलन को पूरा किया जा सकता है। जबकि बल क्षेत्र गिब्स मुक्त ऊर्जा के केवल तापीय धारिता घटक का प्रतिनिधित्व करता है और केवल इस घटक को ऊर्जा न्यूनीकरण के दौरान सम्मिलित किया जाता है,अतिरिक्त तरीकों के उपयोग के माध्यम से एन्ट्रापी घटक को सम्मिलित करना संभव है, जैसे सामान्य मोड विश्लेषण।

संभावित आणविक यांत्रिकी ऊर्जा कार्यों का उपयोग बाध्यकारी स्थिरांक की गणना के लिए किया गया है, जैसे प्रोटीन तह कैनेटीक्स, प्रोटोनेशन संतुलन, डॉकिंग (आणविक), और प्रोटीन रचना।

पर्यावरण और समाधान

आणविक यांत्रिकी में, एक अणु या रूचि के अणु के आसपास के वातावरण को परिभाषित करने के कई तरीके उपलब्ध हैं। एक प्रणाली को आसपास के वातावरण में सतत अनुकरण किया जा सकता है जिसमें कोई आसपास का वातावरण नहीं है, लेकिन यह सामान्यतः अवांछनीय है क्योंकि यह आणविक ज्यामिति में विशेष रूप से आवेशित अणुओं में कलाकृतियों का परिचय देता है। सतह आवेश जो सामान्यतः एक दूसरे के अतिरिक्त विलायक अणुओं के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, जिससे आणविक अनुरूपता उत्पन्न होती है जो किसी अन्य वातावरण में उपलब्ध होने की संभावना नहीं है। किसी प्रणाली को हल करने का सबसे सटीक तरीका यह है कि सतत अनुकरण बॉक्स में स्पष्ट जल के अणुओं को रूचि के अणुओं के साथ रखा जाए और जल के अणुओं को दूसरे अणुओं की तरह परस्पर क्रिया करने वाले कणों के रूप में माना जाए। जल को एक साधारण कठोर क्षेत्र के रूप में प्रस्तुत करने के लिए विभिन्न प्रकार के जल प्रतिरूपण जटिलता तीन अलग-अलग कणों के रूप में निश्चित बंधन कोणों के साथ, यहां तक ​​​​कि ऑक्सीजन परमाणु पर असंगत इलेक्ट्रॉनों के लिए चार या पांच अलग-अलग संपर्क केंद्रों के रूप में बढ़ते स्तर पर उपलब्ध हैं। जैसे-जैसे जल प्रतिरूपण अधिक जटिल होते जाते हैं, संबंधित सतत अनुकरण अधिक गणात्मक रूप से गहन होते जाते हैं। निहित समाधान में एक समझौता विधि पाई गई है, जो स्पष्ट रूप से प्रतिनिधित्व गए जल के अणुओं को एक गणितीय अभिव्यक्ति के साथ बदल देती है जो जल के अणुओं या अन्य विलायक जैसे लिपिड के औसत व्यवहार को पुन: उत्पन्न करता है। यह विधि उन कलाकृतियों को रोकने के लिए उपयोगी है जो शून्यक सतत अनुकरण से उत्पन्न होती हैं और पर्याप्त विलायक गुणों को अच्छी तरह से पुन: पेश करती हैं, लेकिन उन स्थितियों को पुन: उत्पन्न नहीं कर सकती हैं जिनमें व्यक्तिगत जल के अणु एक विलेय के साथ परस्पर क्रिया करते हैं जो विलायक प्रतिरूपण द्वारा अच्छी तरह से अधीन नहीं किया जाता है, जैसे कि प्रोटीन के भीतर हाइड्रोजन बंधन नेटवर्क का जल के अणु के भाग हैं ।

सॉफ्टवेयर पैकेज

मुख्य लेख: आणविक यांत्रिकी मॉडलिंग के लिए सॉफ्टवेयर की तुलना

यह एक सीमित सूची है; कई और पैकेज उपलब्ध हैं।

• ऐबालोन
• एसीईएमडी - जीपीयू एमडी [14]
• एम्बर
• एस्कलाफ डिजाइनर [15]
• मालिक
• आकर्षण
• कॉसमॉस [16]
• CP2K
• घेमिकल
• GROMACS
• ग्रोमोस
• आंतरिक समन्वय यांत्रिकी (आईसीएम)
• लैम्प्स
• मैक्रोमॉडल
• MDynaMix
• आणविक परिचालन पर्यावरण (एमओई)
• NAMD
• क्यू
• क्यू केम
• परहेज़गार
• स्ट्रुएमएम3डी (STR3DI32) [17]
• टिन से मढ़नेवाला
• एक्स-प्लोर
• यासरा
• राशि चक्र [

यह भी देखें

• आणविक ग्राफिक्स
• आणविक गतिकी
• अणु संपादक
• बल क्षेत्र (रसायन विज्ञान)
• बल क्षेत्र कार्यान्वयन की तुलना
• आणविक डिजाइन सॉफ्टवेयर
• GPU पर आणविक मॉडलिंग
• आणविक यांत्रिकी मॉडलिंग के लिए सॉफ्टवेयर की तुलना
• मोंटे कार्लो आण्विक मॉडलिंग के लिए सॉफ्टवेयर की सूची

बाहरी संबंध

• आण्विक गतिशीलता सतत अनुकरण विधियों को संशोधित किया गया
• आणविक यांत्रिकी - यह सरल है