Partikkelisimulaatio

Partikkelisimulaatio on tietokonepohjainen menetelmä, jolla tarkastellaan suuresta määrästä hiukkasia ja niiden vuorovaikutuksia ajan kuluessa. Sitä käytetään fysiikan, kemian, materiaalitieteen ja biotieteiden ongelmissa, joissa mikroskooppiset voimat tai liikkeet vaikuttavat makroskoorisiin ilmiöihin. Simulaatioissa voidaan määritellä vuorovaikutuspotentiaalit, lämpötila, paine ja rajoitusehdot.

Päähoukutelmat ovat klassinen N-body-dynamiikka ja molekyylidynamiikka (MD), jotka simuloivat hiukkasten liikettä Newtonin lakien mukaan sekä vuorovaikutuksia kuten Lennard-Jones -potentiaaleja. Monte Carlo -menetelmät tallentavat tilan todennäköisyyksiä ilman tarkkaa aikakäyrän seuraamista. Käytetään myös termisiä kontrolli-ympäristöjä kuten NVT tai NPT.

Erityis- ja lähestymistavat kattavat SPH:n (smoothed particle hydrodynamics), jolla fluidit kuvataan partikkeliperusteisesti, sekä DPD:n (dissipative particle dynamics) ja lattice Boltzmann -menetelmät, jotka soveltuvat erityisesti nesteiden ja monikomponenttisten sekoitusten simulointiin. Näiden yhdistäminen mahdollistaa suuremmat järjestelmät ja pidemmät aikaskaudet.

Sovellukset ulottuvat materiaalien ominaisuuksien, kuten diffuusion ja faasimuutosten, sekä mekaanisen vasteen ja arkkitehtuurien suunnittelun tutkimuksesta kemiallisiin reaktioihin ja biolääketieteellisiin ongelmiin sekä proteiinien konformaatioihin ja nestevirtausten mallintamiseen.

Haasteina ovat laskentateho, aikaskaavojen hallinta, oikeiden potentiaalien ja parametreien valinta sekä multiscale-mallien kehittäminen. Teknologian kehitys, kuten GPU-kiihdytys ja suurten järjestelmien simulaatiot, laajentaa sovelluskenttää.