MoleküldynamikSimulationen

Molekulardynamik (MD) ist eine computergestützte Simulationsmethode zur Untersuchung der zeitabhängigen Bewegungen von Atomen und Molekülen. Sie beschreibt das Verhalten eines Systems durch Lösen der Newton-Gleichungen für alle Teilchen unter der Annahme klassischer Mechanik und eines definierten Kraftfeldes. MD ermöglicht Einblicke in Strukturdynamik, Thermodynamik und Reaktionsprozesse auf atomarer Ebene.

Die Kräfte werden aus Potentialenergiefeldern abgeleitet, die Bindungen, Winkel, van-der-Waals- sowie elektrostatistische Wechselwirkungen berücksichtigen. Typische Algorithmen zur Integration der Bewegung sind Verlet, Leapfrog oder Velocity-Verlet; Zeitschritte liegen oft im Bereich von wenigen Femtosekunden. Um Bulk-Verhalten abzubilden, kommen periodische Randbedingungen und Techniken zur Behandlung langreichweitiger Elektrostatik, wie Ewald-Summen oder PME (Particle-Mesh Ewald), zum Einsatz. Thermostate (Nosé-Hoover, Langevin) und Barostate (NPT) steuern Temperatur bzw. Druck.

Anwendungsgebiete umfassen Biologie (Faltung von Proteinen, Protein-Ligand-Interaktionen), Chemie (Lösungsstruktur, Reaktionsraten), Materialwissenschaft (Kunststoffe, Gläser, Grenzflächen) und Nanotechnologie. Varianten umfassen klassische MD mit vordefinierten Kraftfeldern (CHARMM, AMBER, OPLS, GROMOS), ab-initio MD (Car–Parrinello, Born–Oppenheimer) sowie coarse-grained Modelle zur Reduktion der Systemgröße. Ergebnisse werden häufig durch Analysen wie Radialverteilfunktionen, Diffusionskoeffizienten, Konformationsstatistiken und Freie-Energie-Methoden (Umbrella Sampling, Metadynamics) interpretiert.

Zu den Limitierungen zählen die Abhängigkeit von Kraftfeldern, die Vernachlässigung quantenmechanischer Effekte, rechnerische Kosten und begrenzte Zeitskalenausdehnung. Trotzdem ist MD ein zentrales Werkzeug zur Verständigung der Dynamik in chemischen, biologischen und materiellen Systemen.