Мд материал построения Жизни

Установка программы

Молекулярная динамика (МД) или метод молекулярной динамики известен с середины 20 века (первая работа, посвященная МД, вышла в 1957 году – авторы Б. Алдер и Э. Вайнрайт). Изначально разработанный в теоретической физике, этот метод моделирования получил большое распространение в химии и, начиная с 1970-х годов, в биохимии и биофизике.

Для описания движения атомов или частиц в этом методе применяется классическая механика, при этом силы межатомного взаимодействия представляются в форме потенциальных сил (см. [3]). Если говорить точнее, в МД рассчитывается движение для каждого отдельного атома. Такой алгоритм осуществляется следующим образом:

  • Начальные положения, скорости и массы каждого атома определены;
  • Метод использует межатомные потенциалы или, как их еще называют, потенциалы парного взаимодействия (ППВ), которые определяются заранее, как функция потенциальной энергии, зависящая от расстояния между атомами (в простейшем случае);
  • Используя ППВ, положения атомов и скорости рассчитывается новое положение частиц через определенный временной интервал , который называется «шаг моделирования». Эти новые положения и скорости становятся исходными для шага вычислений 2, шаги 2, 3, 4 и т. д. повторяются через выбранный временной интервал;
  • Как правило, моделирование молекулярной динамики будет включать тысячи таких временных шагов, каждый из которых соответствует доле пикосекунды (10-12 секунды).

Этот алгоритм, по существу, – интеграция ньютоновских уравнений движения материальной точки во времени, решение которых приводит к определенным положениям частиц и скоростям (желающим вникнуть в физику процесса глубже поможет любой поисковик или список литературы приведенный в конце статьи).

В описаниях метода говорится, что МД нельзя противопоставлять натурным экспериментам, однако исследователям для понимания процессов, происходящих в веществе иногда просто необходима визуализация (расчет) движения или расположения атомов и структуры моделируемой системы. В настоящее время возможности персональных компьютеров позволяют проводить моделирование с помощью МД и получать при этом результаты (кстати, очень близкие к результатам настоящих экспериментов), которые еще десять лет назад могли быть получены лишь с помощью суперкомпьютеров.

Существует множество программ для моделирования методом МД (список некоторых из них см. в Таблице 1). В основном это иностранные пакеты программирования, для изучения которых потребуется знание английского языка. Хотя, нужно сказать, известны публикации еще советских ученых по этому вопросу – [6], в которых видны основные принципы современных компьютерных систем МД.

Предлагаем ознакомиться:  После приема антибиотиков появился цистит

Однако, массового применения эти разработки так и не получили в связи с известными событиями в нашей стране в 90-х годах прошлого века. Отрадно говорить, что в настоящее время в российской науке возвращается интерес к данной теме (например, вот что нашлось в Google по запросу «российские системы молекулярной динамики» – [5], [7]).

Таблица 1. Программные пакеты для моделирования методом МД
Название Сайт поекта Примечания Лицензия/Стоимость
CHARMM (Chemistry at HARvard Macromolecular Mechanics) http://www.charmm.org Программа МД Гарвардского университета (США). Разработана, в основном, для моделирования экспериментов в биологии. Для использования в научных учреждениях/$600
LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) http://lammps.sandia.gov Одна из самых мощных программ МД. Разработана группой из Сандийских национальных лабораторий (США). Возможность многопроцессорных вычислений при использовании мощностей видеокарт NVIDIA (технология CUDA). GPL
HOOMD (Highly Optimized Object Oriented Molecular Dynamics) http://codeblue.umich.edu/hoomd-blue/ Пакет МД Мичиганского университета (США). В программе широко используется язык высокого уровня python. Использование со ссылкой в публикации на сайт производителя/бесплатная
GROMACS (GROningen MAchine for Chemical Simulations) http://www.gromacs.org/ Гронингенская Машина для Химического Моделирования – пакет МД, первоначально разработанный группой из Гронингенского университета (Нидерланды). Пакет предназначен, главным образом, для моделирования биомолекул (белки и липиды). GPL
NAMD (NAnoscale Molecular Dynamics) http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/ Бесплатная программа для МД, написанная с использованием модели параллельного программирования. Используется для симуляции больших систем (миллионы атомов). Разработана в Иллинойском университете (США). связана с программой визуализации VMD того же университета. Бесплатная

Еще один пакет программ, который не вошел в Таблицу 1, но о котором пойдет речь, это — XMD, который представляет собой классическую программу для моделирования методом молекулярной динамики (см. [1]). Предназначен пакет, в основном, для моделирования процессов, происходящих в металлах и керамике. Программа разработана уже достаточно давно в Коннектикутском университете США (англ.

Отличительной особенностью этой программы, для работы с которой используется интерфейс командной строки (Command Line Interface, CLI), является то, что на ее «вход» подается текстовый файл, в котором исследователь с помощью специальных команд описывает необходимую кристаллическую решетку вещества, физические условия проведения эксперимента и контролируемые показатели на выходе.

Предлагаем ознакомиться:  Какой мед полезен для печени Лечим печень

По существу – для работы кроме XMD нужен лишь обычный текстовый редактор (подобный интерфейс еще имеет, например, пакет программ для моделирования LAMMPS). Отсутствие графического интерфейса пользователя имеет даже свои преимущества – дает возможность разработчикам сосредоточиться на отладке численных методов и логике работы программы, а графика появляется лишь там, где она необходима – при визуализации результатов эксперимента (об этом мы обязательно поговорим позднее).

Перевод документации к этой программе на русский язык можно найти здесь – http://learn2prog.ru/xmd-doc-translate

Настало время показать читателю, как установить пакет XMD на персональный компьютер. Хотя на сайте проекта [1] в разделе Downloads есть версия программы, портированная под операционную систему (ОС) Windows, разработчиками изначально предполагается для работы XMD использование ОС Unix. Пользователь Windows останется без мультипроцессорной поддержки, использующей стандарт POSIX, а, самое главное, без средств визуализации, написанных с использованием X-Window System и библиотеки Xaw (набора виджетов для реализации простых интерфейсов пользователя), что делает использование клонов Unix, а именно Linux, предпочтительным.

Как показывает опыт, работа с Linux для пользователей персонального компьютера, незнакомых с этой ОС, вызывает некоторые затруднения. Однако тот же опыт говорит, что можно попробовать (или попросить «продвинутого» товарища) установить эту систему в виртуальной машине (например, VirtualBox) на компьютере с Windows и, получить работоспособную среду XMD. В сети Интернет есть подробные описания по установке различных систем на персональный компьютер, в том числе и в виртуальную машину.

Покажем, как установить пакет программ XMD в ОС Linux. Автор использовал для этого Linux Mint 13 (кстати, установка данного дистрибутива, как отмечают многие, даже проще установки Windows).

$ sudo apt-get install build-essential

Возможности XMD

Как уже было сказано выше, пакет XMD предназначен, главным образом, для симуляции различных процессов в металлах, их сплавах и керамике. Физические процессы, происходящие в металлах вполне понятны даже школьникам, поэтому XMD – именно та программа, с которой вполне «можно начать» знакомиться с увлекательным миром компьютерного моделирования.

Предлагаем ознакомиться:  Материалы для изготовления ульев и их свойства-4

Первые шаги в XMD

Для ознакомления с работой XMD можно порекомендовать построить кристаллическую решетку какого-либо вещества и просмотреть ее с помощью программы визуализации пакета – xmdview. Подобные картинки с успехом может использовать в своей работе преподаватель химии, физики и т.п. В документации xmd на сайте проекта есть пример построения кристаллической решетки алмаза. Алмаз (бриллиант) – сам по себе является «королем» драгоценных камней, но построить и посмотреть его кристаллическую решетку в XMD очень просто.

Для этого необходимо с помощью обычного текстового редактора (например, того же gedit – одной из «стандартных» программ Linux Mint) создать текстовый файл, содержимое которого показано в Листинге 1.

Листинг 1. Содержимое файла diamond.txt

box 5/4 5/4 5/4fill particle 21   0   0   0 1  1/4 1/4 1/4fill cell0   1/2  1/21/2   0   1/21/2  1/2   0fill goscale 3.57write cor diamond.cor

Сохраним файл как diamond.txt. Некоторые пояснения к командам, использованным в этом файле. В кристаллографии, знание основ которой однозначно пригодится для работы с любыми программами молекулярной динамики, широко используется понятие “элементарная ячейка”. Фактически это минимальный воображаемый объем кристалла, параллельные переносы (трансляции) которого в трех измерениях позволяют построить трехмерную кристаллическую решетку в целом (см. Википедия, “элементарная ячейка”).

0   1/2  1/21/2  0   1/21/2  1/2   0

что и записано в diamond.txt с помощью команд box, fill particle, fill cell и fill go. Отметим, что box задает размер кристаллита количеством повторяющихся элементарных ячеек. Размер же элементарной ячейки в ангстремах (10-10 м) определяется с помощью команды scale.

Следующая конструкция “write cor diamond.cor” определяет имя файла, в который будут записаны координаты атомов кристаллической решетки алмаза.

$ cd nuzhny_katalog$ xmd diamond.txt

$ xmdview diamond.cor

Вот что получается в результате выполнения этой команды (см. рис.1).

Рис.1 Программа xmdview — структура элементарной ячейки алмаза (файл diamond.cor)

Используя интерфейс xmdview можно, например, покрутить трехмерное изображение (кнопки “Rt

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector