Számítógépes szimulációk: molekuláris dinamika és Monte Carlo

Hasonló dokumentumok
Molekuláris dinamika. 10. előadás

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

Monte Carlo módszerek a statisztikus fizikában. Az Ising modell. 8. előadás

összetevője változatlan marad, a falra merőleges összetevő iránya ellenkezőjére változik, miközben nagysága ugyanakkora marad.

? ligandum kötés konformációs változás aktiválási energia számítás pka számítás kötési energiák

Számítógépek és modellezés a kémiai kutatásokban

Monte Carlo módszerek a statisztikus fizikában. Az Ising modell. 8. előadás

A mikroskálájú modellek turbulencia peremfeltételeiről

Evans-Searles fluktuációs tétel

Kémiai reakciók mechanizmusa számítógépes szimulációval

Differenciálegyenletek numerikus integrálása április 9.

Molekuláris fluidumok fázisegyensúlyi viselkedésének tanulmányozása

Azonos és egymással nem kölcsönható részecskékből álló kvantumos rendszer makrókanónikus sokaságban.

Idegen atomok hatása a grafén vezet képességére

8. AZ ATOMMAG FIZIKÁJA

KÖZELÍTŐ INFERENCIA II.

Dekoherencia Markovi Dinamika Diósi Lajos. Elméleti Fizikai Iskola Tihany, augusztus szeptember 3.

KÖZELÍTŐ INFERENCIA II.

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

SZAKDOLGOZAT VIRÁG DÁVID

Molekuladinamika. Számítógépes szimulációk szamszimf17la

Rádl Attila december 11. Rádl Attila Spalláció december / 21

Tárgymutató. dinamika, 5 dinamikai rendszer, 4 végtelen sok állapotú, dinamikai törvény, 5 dinamikai törvények, 12 divergencia,

Fermi Dirac statisztika elemei

Elektrodinamika. Maxwell egyenletek: Kontinuitási egyenlet: div n v =0. div E =4 div B =0. rot E = rot B=

Molekuláris fluidumok fázisegyensúlyi. viselkedésének tanulmányozása

y ij = µ + α i + e ij

Kvantumszimulátorok. Szirmai Gergely MTA SZFKI. Graphics: Harald Ritsch / Rainer Blatt, IQOQI

A racionális gyógyszertervezés lehetőségei. A racionális gyógyszertervezés lehetőségei. A racionális gyógyszertervezés lehetőségei

TANMENET FIZIKA. 10. osztály. Hőtan, elektromosságtan. Heti 2 óra

Nagy számok törvényei Statisztikai mintavétel Várható érték becslése. Dr. Berta Miklós Fizika és Kémia Tanszék Széchenyi István Egyetem

Hőtan I. főtétele tesztek

Nagy számú részecske szimulációja

biometria II. foglalkozás előadó: Prof. Dr. Rajkó Róbert Matematikai-statisztikai adatfeldolgozás

Számításelmélet. Második előadás

Elektronegativitás. Elektronegativitás

Folyadékok szerkezetének tanulmányozása klasszikus szimulációk segítségével

2. A hőátadás formái és törvényei 2. A hőátadás formái Tapasztalat: tűz, füst, meleg edény füle, napozás Hőáramlás (konvekció) olyan folyamat,

3. Jelöljük meg a numerikus gyökkereső módszerekre vonatkozó egyedüli helyes kijelentést:

Elektrosztatikus számítások. Elektrosztatikus számítások. Elektrosztatikus számítások. Elektrosztatikus számítások Definíciók

Axion sötét anyag. Katz Sándor. ELTE Elméleti Fizikai Tanszék

A kanonikus sokaság. :a hőtartály energiája

Evans-Searles fluktuációs tétel Crooks fluktuációs tétel Jarzynski egyenlőség

Kémiai reakciók sebessége

Kozmológiai n-test-szimulációk

f = n - F ELTE II. Fizikus 2005/2006 I. félév

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

Loss Distribution Approach

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Nanopórusos rendszerek vizsgálata molekuláris szimulációkkal

Minek kell a matematika? (bevezetés)

Rend, rendezetlenség, szimmetriák (rövidített változat)


dinamikai tulajdonságai

Reológia Mérési technikák

1 Műszaki hőtan Termodinamika. Ellenőrző kérdések-02 1

Mivel foglalkozik a hőtan?

Alap-ötlet: Karl Friedrich Gauss ( ) valószínűségszámítási háttér: Andrej Markov ( )

kinetikus gázelmélet Clausius Maxwell

AliROOT szimulációk GPU alapokon

Erőterek. Erőterek. Erőterek. Erőterek. Erőterek. Erőterek. Probléma: fehérjéknél nagy dimenziók értelmetlen QM eredmények.

Termodinamika (Hőtan)

Konzulensek: Czeglédi Ádám Dr. Bojtár Imre

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Fizika. Fizika. Nyitray Gergely (PhD) PTE PMMIK február 13.

Simított részecskedinamika Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)

Kettőnél több csoport vizsgálata. Makara B. Gábor

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

A SZILÁRDTEST FOGALMA. Szilárdtest: makroszkópikus, szilárd, rendezett anyagdarab. molekula klaszter szilárdtest > σ λ : rel.

Modellszámításokkal kapcsolatos kutatások bemutatása

Bolygómozgás. Számítógépes szimulációk fn1n4i11/1. Csabai István, Stéger József

2. Plazmafizikai alapfogalmak

Forgalmi modellezés BMEKOKUM209

Atomok. szilárd. elsődleges kölcsönhatás. kovalens ionos fémes. gázok, folyadékok, szilárd anyagok. ionos fémek vegyületek ötvözetek

FOTOKÉMIAI REAKCIÓK, REAKCIÓKINETIKAI ALAPOK

Atomok. szilárd. elsődleges kölcsönhatás. kovalens ionos fémes. gázok, folyadékok, szilárd anyagok. ionos fémek vegyületek ötvözetek

Lagrange és Hamilton mechanika

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

Szilárdtestek sávelmélete. Sávelmélet a szabadelektron-modell alapján

Az alábbi fogalmak és törvények jelentését/értelmezését/matematikai alakját (megfelelő mélységben) ismerni kell: Newtoni mechanika

Gépészeti rendszertechnika (NGB_KV002_1)

Kísérlettervezés alapfogalmak

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Mechanika, dinamika. p = m = F t vagy. m t

Szalai István. ELTE Kémiai Intézet 1/74

Kvantum termodinamika

a természet logikája

Az előadás vázlata: Állapotjelzők: Állapotjelzők: Állapotjelzők: Állapotjelzők: nagy közepes kicsi. Hőmérséklet, T tapasztalat (hideg, meleg).

Univerzalitási osztályok nemegyensúlyi rendszerekben, Ódor Géza

Zárthelyi dolgozat I. /A.

A kovalens kötés polaritása

Bevezetés a hipotézisvizsgálatokba

Magszerkezet modellek. Folyadékcsepp modell

Előszó.. Bevezetés. 1. A fizikai megismerés alapjai Tér is idő. Hosszúság- és időmérés.

NGB_IN040_1 SZIMULÁCIÓS TECHNIKÁK dr. Pozna Claudio Radu, Horváth Ernő

Atomfizika. A hidrogén lámpa színképei. Elektronok H atom. Fényképlemez. emisszió H 2. gáz

STATISZTIKA ELŐADÁS ÁTTEKINTÉSE. Matematikai statisztika. Mi a modell? Binomiális eloszlás sűrűségfüggvény. Binomiális eloszlás

Relativisztikus pont-mechanika

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

Átírás:

Számítógépes szimulációk: molekuláris dinamika és Monte Carlo Boda Dezső Fizikai Kémiai Tanszék Pannon Egyetem boda@almos.vein.hu 2014. március 21. Boda Dezső (Pannon Egyetem) Habilitációs előadás 2014. március 21. 1 / 20

Ismétlés Statisztikus mechanikai alapok Statisztikus mechanikai alapok N részecskés klasszikus rendszer Fázistér: Γ = {r 1,... r N, v 1,... v N } Rendszer egy mikroállapota: fázispont Trajektória: Γ(t) Időátlag: f 1 τ = lim τ f [Γ(t)]dt τ 0 Molekuláris dinamikai (MD) szimuláció ezt határozza meg Minden mikroállapotnak jól meghatározott valószínűsége van. Kanonikus sokaság (NVT ): p i = e E i /kt Állapotösszeg: Q = i e E i /kt illetve Q = 1 e E(Γ)/kT dγ N!h 3N Sokaságátlag: f = i fipi illetve f = 1 f (Γ)e E(Γ)/kT dγ N!h 3N Q Monte Carlo (MC) szimuláció határozza meg Q Ergodikus hipotézis: egyensúlyban az időátlag és a sokaságátlag egyenlő Boda Dezső (Pannon Egyetem) Habilitációs előadás 2014. március 21. 2 / 20

Ismétlés Kísérlet, modell, szimuláció, elmélet Kísérlet, modell, szimuláció, elmélet Valóság Modell (intermolekuláris potenciál) Kísérlet Szimuláció Elmélet Szimulációs és kísérleti eredmények összehasonlítása Egzakt egy adott modellre Közelítéseket tartalmaz Szimulációs és elméleti eredmélnyek összehasonlítása egy adott modellre Modell tesztje Elmélet tesztje Boda Dezső (Pannon Egyetem) Habilitációs előadás 2014. március 21. 3 / 20

Ismétlés Modellek Intermolekuláris potenciálok Rövid hatótávolságú taszító (részecskék véges mérete - Pauli-féle kizárási elv) { ha r < σ Merevgömb potenciál: u HS (r) = 0 ha r > σ ( ) σ 12 Puha taszító potenciál (Lennard-Jones): u 12 = 4ɛ r ( ) σ 6 Diszperziós vonzó potenciálok (Lennard-Jones vonzó tagja): u 6 = 4ɛ r Elektrosztatikus kölcsönhatások: Coulomb-potenciál: u C (r) = q1q2 4πɛ 0ɛr Dipólus-dipólus, dipólus-kvadruplólus, stb. kölcsönhatások Erőterek: parciális töltések halmaza Boda Dezső (Pannon Egyetem) Habilitációs előadás 2014. március 21. 4 / 20

Szimulációkról általában Szimulációkról általában A szimuláció olyan mint egy mérés (mintavétel) Kísérlet szempontjából elmélet (modellezés); elmélet szempontjából kísérlet (összehasonlítási alap) Létrehozunk egy szimulációs cellát. Ebbe belepakoljuk a részecskéket, amik között az előírt kölcsönhatások hatnak Létrehozzuk a kényszereket (falak, külső erők) Peremfeltételeket alkalmazunk Homogén rendszerek (tömbfázis): periodikus peremfeltétel Boda Dezső (Pannon Egyetem) Habilitációs előadás 2014. március 21. 5 / 20

Molekuláris dinamika Molekuláris dinamika A részecskék a trajektóriák mentén mozognak: Γ(t) = {r N (t), v N (t)} Ezeket a newtoni mozgásegyenletekből számoljuk: m i r i(t) = m ia i(t) = F i(r N ) Gyorsulás: a i(t) = F i(r N )/m i Az erőt az intermolekuláris kölcsönhatásokból kapjuk: Coulomb-erő: Lennard-Jones erő: F i(r 1,..., r N ) = f ij(r i, r j) = i<j i<j fij LJ (r i r j) = 24ɛ fij C (r i r j) = qiqj r i r j 4πɛ 0ɛ r i r j 3 Az egyenletrendszer megoldása numerikusan történik [ 2 u ij(r i, r j) r i ( ) 12 ( ) ] 6 σ σ r i r j r i r j r i r j r i r j 2 Boda Dezső (Pannon Egyetem) Habilitációs előadás 2014. március 21. 6 / 20

Molekuláris dinamika Verlet-algoritmus A részecske pozíciója t ± t-ben: Összeadva a két egyenletet kapjuk: A sebesség t-ben: r(t + t) = r(t) + t v(t) + t2 2 a(t) r(t t) = r(t) t v(t) + t2 2 a(t) r(t + t) = 2 r(t) r(t t) + t 2 a(t) v(t) = r(t + t) r(t t) 2 t Boda Dezső (Pannon Egyetem) Habilitációs előadás 2014. március 21. 7 / 20

Molekuláris dinamika Leap-frog algoritmus A részecske pozíciója t + t-ben: ( r(t + t) = r(t) + t v t + t ) 2 A részecske sebessége t + t-ben: ( v t + t ) ( = v 2 A sebesség t-ben: v(t) = t t 2 (*) ) + t a(t) (**) v(t + t) + v(t t) 2 Boda Dezső (Pannon Egyetem) Habilitációs előadás 2014. március 21. 8 / 20

Molekuláris dinamika Termosztálás Az MD szimuláció természetes sokasága: mikrokanonikus (NVE) sokaság Teljes energia állandó: E = K + U pot N 1 Kinetikus energia: K = 2 miv2 i i=1 Potenciális energia: E pot = i<j u ij(r i, r j) Az energia a kettő között fluktuál (veszteség a numerikus megoldás során) Kanonikus sokaság: hőmérséklet állandó (NVT ) N 1 Kinetikus energia állandó: K = 2 miv2 i = 3 2 NkT i=1 Legegyszerűbb módszer: sebességek újraskálázása Boda Dezső (Pannon Egyetem) Habilitációs előadás 2014. március 21. 9 / 20

Molekuláris dinamika Átlagolás Bármely fizikai mennyiség vagy a konfigurációtól, {r N }, vagy a sebességektől, {v N }, függ (vagy mindkettőtől), és azokon keresztül az időtől: Időátlag: f (t k ) = f [r 1(t k ),..., r N (t k ), v 1(t k ),..., v N (t k )] f = 1 M M f (t k ) k=1 Meghatározható fizikai mennyiségek: E, K, U pot, p, H, F, µ i, G, c p, c V, g(r), ρ i(r), stb. Determinisztikusan vettünk mintát a fázistérből a trakejtória (idővonal) mentén. Boda Dezső (Pannon Egyetem) Habilitációs előadás 2014. március 21. 10 / 20

Monte Carlo Monte Carlo Stochasztikus mintavételi mód: véletlenszerűen veszünk mintát a konfigurációs térből Ismétlés: Q = Q transzq rotq vibr Q konf. Transzláció, rotáció, vibráció: ideális gáz analitikus függvények Konfigurációs rész: részecskék közötti kölcsönhatástól (potenciális energia) függ: Q konf = 1 ( ) exp Epot(rN ) dr N V N kt Monte Carlo (MC) csak ezt a részt mintavételezi Ha minden konfigurációt ugyanolyan valószínűséggel vennénk be a mintába, akkor a sokaságátlagot így kapnánk: M f ie E i /kt f = i=1 M e E i /kt i=1 Nem hatékony, mert kis valószínűségű (e E i /kt 1) állapotokat is beveszünk a mintába, feleslegesen. Boda Dezső (Pannon Egyetem) Habilitációs előadás 2014. március 21. 11 / 20

Monte Carlo Boltzmann mintavételezés Válogassuk be a mintába az állapotokat p i = e E i /kt /Q valószínűséggel. Ekkor a valószínűbb állapotokat nagyobb valószínűséggel mintavételezzük. A sokaságátlag ekkor: f = M e E i /kt f i p i M i=1 i=1 e E i /kt p i = M f i i=1 Az m állapotból az n állapotba való átmenet valószínűsége: p mn = e En/kT /Q e Em/kT /Q = e (En Em)/kT = e E/kT Megvalósítása: Metropolis-Hastings mintavételezés. M Boda Dezső (Pannon Egyetem) Habilitációs előadás 2014. március 21. 12 / 20

Monte Carlo Metropolis mintavételezés Boda Dezső (Pannon Egyetem) Habilitációs előadás 2014. március 21. 13 / 20

Monte Carlo Metropolis mintavételezés 1 Véletlenszerűen kiválasztunk egy részecskét Boda Dezső (Pannon Egyetem) Habilitációs előadás 2014. március 21. 14 / 20

Monte Carlo Metropolis mintavételezés 1 Véletlenszerűen kiválasztunk egy részecskét 2 Kijelölünk egy 2δ nagyságú kockát a részecske körül Boda Dezső (Pannon Egyetem) Habilitációs előadás 2014. március 21. 15 / 20

Monte Carlo Metropolis mintavételezés 1 Véletlenszerűen kiválasztunk egy részecskét 2 Kijelölünk egy 2δ nagyságú kockát a részecske körül Boda Dezső (Pannon Egyetem) Habilitációs előadás 2014. március 21. 16 / 20

Monte Carlo Metropolis mintavételezés 1 Véletlenszerűen kiválasztunk egy részecskét 2 Kijelölünk egy 2δ nagyságú kockát a részecske körül 3 Ezen belül véletlenszerűen elmozdítjuk Boda Dezső (Pannon Egyetem) Habilitációs előadás 2014. március 21. 17 / 20

Monte Carlo Metropolis mintavételezés 1 Véletlenszerűen kiválasztunk egy részecskét 2 Kijelölünk egy 2δ nagyságú kockát a részecske körül 3 Ezen belül véletlenszerűen elmozdítjuk 4 Az elmozdítás elfogadása: Ha E < 0, mindig elfogadjuk. Ha E > 0, akkor e E/kT valószínűséggel fogadjuk el. Boda Dezső (Pannon Egyetem) Habilitációs előadás 2014. március 21. 18 / 20

Monte Carlo Metropolis mintavételezés Ez a MC lépés megfeleltethető a környezettel (termosztáttal) való hőcserének termikus egyensúly. T növelése növeli a e E/kT valószínűséget, így a nagyobb energiájú állapotokat nagyobb valószínűséggel fogadjuk el. Ha T 0, akkor csak a E < 0 mozgatásokat fogadjuk el: alapállapot felé sodródik a rendszer Nagyon flexibilis mintavételezési technika; könnyű változatos, a célunknak megfelelő mintavételezési módszereket tervezni. Például: egyéb sokaságok szimulációja Izoterm-izobár sokaság (NpT ): szimulációs cella méretének változtatása p nyomású környezettel való mechanikai munka cseréje mechanikai egyensúly Nagykanonikus sokaság (µvt ): részecske véletlenszerű behelyezése/kivétele µ kémiai potenciálú környezettel való részecskecsere komponens-egyensúly Boda Dezső (Pannon Egyetem) Habilitációs előadás 2014. március 21. 19 / 20

Monte Carlo MD vs. MC előnyök, hátrányok MC-vel állapotok sorozatát generáljuk, amiket a saját statisztikai súlyuknak megfelelően válogattunk be a mintába. Ezeket nem kell időrendben a mintába válogatni. Dinamikát viszont nem tudunk szimulálni, nincs idő az MC szimulációban. MC egyrészecskés mozgatások MD minden részecskét elmozgatunk egy időlépésben MD-vel a fázistér egy adott részét szimuláljuk egy adott szimulációs idő (10-100 ns) alatt. A fázistér távolabbi részeibe esetleg nem jutunk el. MC-vel szabadon ugrálunk a fázistér különböző pontjai között, ha tudunk. Könnyen beleragadhatunk lokális minimumokba (ion a hidrátburokban), amikből az MD könnyen kihozza a rendszert. Dinamikát (transzport, időfüggő folyamatok) MD-vel lehet szimulálni. Egyéb módszerek transzport szimulációjára: Langevin (Brown) Dinamika, Dinamikus Monte Carlo, Lokális Egyenúlyi Monte Carlo (lásd a következő előadást) Boda Dezső (Pannon Egyetem) Habilitációs előadás 2014. március 21. 20 / 20