¿Existe un buen software gratuito de simulación de moléculas/átomos?

Ciertamente existe fuera de los laboratorios secretos :) Como escribió Gerben, los campos se llaman dinámica molecular (MD) y química cuántica que, a medida que las computadoras crezcan más rápido, serán herramientas esenciales de la nanotecnología y la medicina.

La Dinámica Molecular se implementa actualmente haciendo ciertas aproximaciones en las que el movimiento de los electrones no se modela explícitamente. En la práctica, los campos de fuerza empíricos se comparan con datos experimentales y las moléculas se modelan esencialmente sumando las fuerzas en cada átomo y usando$F=ma$, luego integrando la aceleración en el tiempo.

Está lejos de ser perfecto: por lo general, no se pueden igualar todas las propiedades físicas medibles de un medio como el agua al mismo tiempo con los mismos campos de fuerza. Normalmente, tampoco puede modelar cambios de enlaces covalentes, ya que eso implica cambiar la composición molecular que rompe las definiciones del campo de fuerza. Por otro lado, los métodos son relativamente rápidos y puedes simular fácilmente sistemas de cientos de miles de átomos en una escala de tiempo de al menos nanosegundos (microsegundos si tienes acceso a una supercomputadora :). Sin embargo, para interpretar los resultados, necesita cierta comprensión de las deficiencias de los algoritmos.

Algunas simulaciones grandes e interesantes hasta la fecha fueron de la fábrica de proteínas, el ribosoma, probablemente la parte compleja más antigua de la evolución de la vida, y de un virus completo, el Virus del Mosaico del Tabaco Satélite . A continuación se muestra una instantánea de una simulación que hice de los canales iónicos en una membrana celular, se ve una molécula de fármaco unida en blanco en el centro:

Creo que los simuladores (gratuitos) más utilizados son GROMACS y NAMD, con puntos fuertes algo diferentes, pero probablemente ambos estén bien para empezar. Por lo general, se combina con herramientas gráficas decentes para visualizar lo que sucede, como PyMOL o VMD.

No es particularmente difícil aprender sobre esto escribiendo también su propio simulador simple, si así lo desea. En cualquier caso, la simulación de una caja de 2x2x2 nm de átomos de argón o moléculas de agua, por ejemplo, ilustra muchos de los conceptos.

La química cuántica implica bajar un paso en el movimiento y los cambios de los electrones. Por lo tanto, puede simular la ruptura y unión de enlaces covalentes y no tiene que depender de campos de fuerza empíricos para cada molécula/átomo que necesita en su simulación. Sin embargo, obviamente es mucho más lento computacionalmente (¿un factor de 100 al menos? No estoy seguro). Puede usar esto para modelar en detalle el mecanismo de un sitio activo en una enzima, por ejemplo.

La razón por la que estos son campos importantes para la nanotecnología y la medicina es que las simulaciones son el equivalente del acto de compilar y probar un programa en el diseño de software de computadora, cuando se trata de diseñar nuevos medicamentos y maquinaria o materiales a escala nanométrica. Esencialmente, desea métodos para probar sus ideas sin fabricarlas primero, y las simulaciones por computadora aprovechan la ley de Moore, que dice que la potencia informática se duplica cada 18 meses...

La simulación de la evolución temporal de miles de moléculas que interactúan es generalmente el dominio de la dinámica molecular. Los códigos MD generalmente simplifican drásticamente el cálculo al modelar átomos de forma clásica, generalmente con conectividad predefinida, parametrización pesada y enlaces modelados por potenciales armónicos. Si bien tales enfoques pueden dar resultados decentes para cosas como las conformaciones de proteínas, descuidan por completo la mecánica cuántica y, como tales, no describen la reactividad química. Si esto es lo que quiere decir con 'no realmente científico', bueno, desafortunadamente los cálculos de QM son bastante costosos computacionalmente **.

Incluso los cálculos de MM se vuelven costosos desde el punto de vista computacional, según el tamaño del paso de tiempo, el nivel específico de teoría utilizado y el tamaño, la cantidad y los grados de libertad de las moléculas que está modelando, pero ciertamente es posible realizar cálculos de MM útiles en computadoras de escritorio. (Esta es la base completa de Folding@Home, que agrega pequeños trabajos realizados por computadoras de escritorio inactivas en todo el mundo).

Dos códigos FOSS MM muy conocidos son GROMACS y TINKER . GROMACS ahora es opcionalmente acelerado por GPU usando CUDA, lo que lo hace muy, muy rápido incluso en computadoras de escritorio (si tiene una GPU decente).

** Existen metodologías QM/MM híbridas que combinan una región QM incrustada en un cálculo de MM; por lo general, se usan para observar cosas como efectos explícitos de solventes en moléculas de interés. También hay códigos MD ab initio , como la dinámica molecular de Car-Parinello (CPMD), que contribuyen de alguna manera a cerrar la brecha de escala QM/MM.

LAMMPS es el software del que estás hablando. Implementa efectivamente el primer principio MD del tipo "vieja buena guerra fría".

El paquete apropiado de mecánica molecular en un entorno gráfico es Abalone .

Es compatible con una serie de métodos estándar como la dinámica molecular, la optimización, además de cosas como Hybrid Monte Carlo. Entorno gráfico conveniente, varios métodos para la construcción de modelos. Se ejecuta rápidamente, especialmente cuando se usa una tarjeta de video como acelerador de cálculo.

Añadiré otra recomendación: CP2K . No está escrito en C/C++, está escrito en Fortran; esto puede requerir un poco de tiempo para adaptarse si realmente desea modificar el código y no ha encontrado Fortran antes.

Sin embargo, CP2K puede realizar simulaciones de mecánica clásica y cuántica, y puede escalar bien. Por ejemplo, una presentación de Jürg Hutter de octubre de 2007 describe dos simulaciones que se acercan a sus requisitos en términos de número de átomos. La primera simulación es de 512, 1024 o 2048 moléculas de agua, y la segunda es el decámero de ADN en una caja de agua con 4003 moléculas de agua (más de 12000 átomos en total) ( presentación , diapositivas 12 y 13).

Finalmente, aunque depende en gran medida de la escala de tiempo y el nivel de teoría que utilizará, las simulaciones de dinámica molecular ab initio de miles de átomos probablemente requerirán una supercomputadora.