Partikkelisimulaatiot

Partikkelisimulaatiot ovat laskennallisia menetelmiä, joissa fyysiset järjestelmät mallinnetaan koostumaan pienistä, vuorovaikuttavista partikkeliolioista. Jokaisella partikkellilla on ominaisuuksia kuten massa, varaus ja potentiaalimuotoja, joiden perusteella lasketaan voimat ja liikkeet. Tavoitteena on ymmärtää makroskoottisia ilmiöitä ja testata teoreettisia malleja sekä ennustaa materiaalien ja prosessien käyttäytymistä.

Tärkeimmät lähestymistavat jakautuvat kahteen suurempaan ryhmään: N-body -simulaatiot, joissa lasketaan voimat ja liikkeet Newtonin lain mukaisesti usean partikkelin välillä; sekä molekyylidynamiikka ja muut vuorovaikutuspohjaiset mallit, joissa käytetään erityisiä potentiaaleja kuten Lennard-Jones, Coulomb tai kytketyt molekyylivaraukset. Myös Monte Carlo -menetelmät ja verkkopohjaiset menetelmät, kuten lattice Boltzmann, ovat käytössä tietyille järjestelmille.

Numerinen toteutus sisältää ajanjakson valinnan, voimanlaskennan sekä tilan kasvun ja vakauden varmistamisen. Yleisimmät integraatiomenetelmät ovat Verlet- ja velocity-Verlet -intensiointi sekä Leapfrog, joskus adaptiiviset ajasäätömenetelmät. Rajapinnat voivat olla periodisiä, heijastavia tai yhdistettyjä, ja usein käytetään termostaattisia ja paineen säätömenetelmiä kuten Nosé-Hoover tai Berendsen.

Sovelluskohteita ovat muun muassa tähtitieteen N-body -simulaatiot, plasma- ja kiinteäainefysiikka sekä pehmeän aineen ja biokemiallisten järjestelmien simulointi. Suositut ohjelmistot mukaan lukien LAMMPS, GROMACS, NAMD ja Gadget tarjoavat valmiita työkaluja näiden mallien toteuttamiseen. Rajoitteina ovat laskentakustannukset, koko- ja aikäätövaikutukset sekä parametri- ja potentiaalivalintojen epävarmuudet.