Molekyylidynamiikan

Molekyylidynamiikka (MD) on tietokonesimulaatiomenetelmä, jossa tutkitaan atomien ja molekyylien liikkeiden kehitystä ajan funktiona. Simulaatiossa ratkaistaan jokaiselle atomille Newtonin liike­yhtälöt ja käytetään poten­tiaaleja, jotka kuvaavat kemialliset sidokset, sähköiset vuorovaikutukset sekä van der Waals -voimat. Systeemit voivat olla pieniä molekyylejä, suuria biomolekyylirakenteita tai kiinteitä aineita.

Klassinen MD perustuu empiirisiin tai semi-empirisiin voimas­kenttiin (force fields), kuten CHARMM, AMBER, GROMOS ja OPLS-AA. Näillä kentillä määritellään sidokset, kulmat, dihedraalit sekä ei-kovalenttiset vuorovaikutukset. Ab initio MD rakentuu kvanttian­kielisin periaattein ja käsittelee elektronit dynaamisesti, esimerkiksi Car–Parrinello- tai Born–Oppenheimer -tyyppisissä toteutuksissa, jolloin voimat lasketaan suoraan elektronien perusteella.

Algoritmit ja aika-askeleet ovat keskeisiä: integraatiomenetelmiksi käytetään usein velocity-Verletiä, ja aikaväli on tyypillisesti 1–2 femtosekuntia. Järjestelmä voidaan pitää eristettynä (NVE) tai lihaantuneena lämpötilan (NVT) ja/tai tilavuuden sekä paineen (NPT) säilyttämiseksi termostattien ja barostatien avulla. Yleisiä rajapintoja ovat periodiset rajavyöhykkeet ja pitkäaikaisvuorovaikutusten hallinta (esim. Ewald- tai Particle Mesh Ewald -menetelmät).

Tuloksena saadaan atomien trajektoriat, energiayhtälöt ja erilaisten analyysien avulla rakenteellisia ja dynamisia ominaisuuksia, kuten konformaatioita, diffusioita ja vesijärjestelmän järjestäytymistä. MD:llä on keskeinen rooli biotieteissä, materiaalien tutkimuksessa sekä drugdesignissa. Rajoituksia ovat voimasenttien tarkkuus, kvanttivaikutusten puute ja riittävän näytteen saaminen vaativilla aikaskaaloilla. Saatavilla on useita ohjelmistopaketteja, kuten GROMACS, AMBER, NAMD ja LAMMPS.