partikkelisimulaatioita

Partikkelisimulaatiot ovat laskennallisia menetelmiä, joilla mallinnetaan suuria määriä vuorovaikutuksessa olevia hiukkasia sekä niiden liikkeitä ja rakenteita. Niiden avulla voidaan ymmärtää makroskooppisia ominaisuuksia, kuten rakenne, diffuusio ja faasimuutosten käyttäytyminen, pohjautuen mikroskoorisiin vuorovaikutuksiin ja termiseen tilaan.

Mukana ovat useat päämenetelmät. Molekyylidynamiikka (MD) simuloi hiukkasten liikkeitä ratkaisemalla Newtonin lait käyttäen soveltuvia potentiaaleja ja integroimalla aikaa. Aikaväli integroidaan usein Verlet- tai velocity-Verlet -menetelmällä, ja lämpötilaa sekä painetta säädetään termostaateilla ja barostaateilla. Monte Carlo (MC) -menetelmät etsivät tilan konfiguraatioita satunnaisesti siten, että tilan todennäköisyys seuraa Boltzmann-jakaumaa; ne ovat tehokkaita tasapainotilan ominaisuuksien analysoinnissa. Brownian dynamics (BD) kuvaa overdamped-liikettä nesteessä, jossa inertian vaikutus on vähäinen. Vähemmän käytettyjä ovat dissipatiivinen partikkelidynaamiikka (DPD) sekä kineettinen MC, jotka mahdollistavat hydrodynaamisen vuorovaikutuksen ja reaktiotapahtumien mallintamisen.

Keskeisiä käsitteitä ovat potentiaalit ja niiden virittäminen, rajaukset (usein periodiset rajat) sekä tilatila-ensemblit (NVE, NVT, NPT). Tuloksena syntyy trajektoriat ja konfiguraatiot, joista voidaan laskea rakenteen ja dynamiikan ominaisuuksia, kuten radial distribution function g(r) sekä keskimääräinen neliöpoikkeama (MSD).

Sovelluksia on laajasti: materiaalitiede, kemia, biologia ja nanoteknologia, mukaan lukien nesteiden ja kolloidien dynamiikka, faasimuutokset sekä proteiinien ja makromolekyylien rakenteen tutkimus.