¿Software para simular y visualizar átomos?

No estoy seguro si esto es una pregunta de física o química. Pero si el movimiento de los átomos y sus partículas puede describirse mediante la mecánica cuántica, entonces, ¿existe un software que simule átomos completos y sus límites, de una manera que pueda visualizarlos, y que pueda usarse, por ejemplo, para lanzar 2 moléculas? juntos y verlos reaccionar?

Hola, Dokkat. Este es un tema que se superpone, pero como estás preguntando sobre los procesos químicos con más detalle que "X reacciona con Y", creo que está bien aquí. Por cierto, si está trabajando con software científico, es posible que le interese el sitio beta de Computational Science .
El problema aquí es que no hay "una molécula fluye lentamente hacia la otra, sus nubes electrónicas se tocan y ahora nace la nueva molécula", sino que "hay una probabilidad del 0.000xxx% de que este sistema se convierta en este estado ', y es bastante difícil visualizar todas las probabilidades posibles....
Los estudios de dinámica molecular a menudo usan gromacs . No estoy seguro de si viene con una herramienta de visualización, pero sé que la gente lo hace funcionar con algunas de esas herramientas.
@BarsMonster: la imagen de dos moléculas que fluyen lentamente y los electrones se reconfiguran es la aproximación casi perfecta de Born Oppenheimer, y no es un problema en absoluto. El problema en la mayoría de las simulaciones del día a día es que la reconfiguración no se realiza dinámicamente para los electrones de valencia, lo que genera fuerzas completamente incorrectas en la posición del núcleo. Esto lo soluciona Car Parrinello MD (y solo mediante métodos híbridos como este, que hacen una cantidad mínima de química cuántica para encontrar la fuerza). El CPMD describirá el proceso como lo solicitó el OP.
Posibles duplicados: physics.stackexchange.com/q/10311/2451 y enlaces allí.

Respuestas (3)

Hay muchos, muchos algoritmos y piezas de software para hacer esto. Además de Molecular Dynamics , también existen métodos basados ​​en simulaciones estadísticas en Quantum Monte Carlo , y la teoría funcional de la densidad implementada en programas como Quantum Espresso . Es un ejercicio simple y que vale la pena programar estas cosas usted mismo: si desea estudiar el comportamiento oscilatorio de una molécula sujeta a algún potencial externo arbitrario, puede hacerlo fácilmente utilizando herramientas básicas de programación y visualización, siempre que establezca las funciones adecuadas y ecuaciones para describir su sistema.

Señalaré que todos estos algoritmos tienen rangos explícitos de validez y suposiciones subyacentes, y uno debe comprender muy cuidadosamente las limitaciones antes de interpretar los resultados. En muchos casos, la exactitud y precisión de los algoritmos será cuestionable, porque se deben hacer suposiciones en algún nivel para reducir el tamaño del sistema, ya que ni siquiera la supercomputadora más poderosa puede manejar un cálculo con algo que se acerque a un número macroscópico de partículas. Sin embargo, pueden proporcionar una idea del punto de partida y pueden dar una idea de las tendencias.

Editar para agregar: vea la lista gigante de aplicaciones de software para química cuántica

Hasta donde yo sé, nada más que MD da una imagen dependiente del tiempo.
@RonMaimon: la dinámica molecular de Car-Parinello es un nivel de teoría que combina la estructura electrónica con MD y se implementa en códigos como CPMD .
@Richard Terett: Eso es interesante, no conocía este método, pero al leer la descripción, si lo implementa bien, debería ser la forma ideal de abordar el problema principal de la deslocalización electrónica. Pero también está el problema menos apremiante de las fuerzas electromagnéticas no locales, que también es importante para las moléculas grandes. El problema final es con la aproximación estocástica. Gracias por la anotación.
@Jen: Es importante decir rotundamente que los códigos MD, dejando de lado el CPMD, no son buenos, porque el fluido electrónico está mal simulado, lo que lleva a moléculas mucho más flexibles que las que se encuentran en la naturaleza. Además, solo CPMD puede ocuparse de la ruptura y reforma de bonos. Es el único método de simulación correcto. Combinado con un buen modelo de fuerza electrodinámica no local y una buena actualización estocástica de grano grueso en el tiempo, da la única respuesta completa a la pregunta.
@RonMaimon - Me alegro de que CPMD haya sido de su interés. Ciertamente no es el único método 'ab initio MD' pero parece que el estado del arte es muy experimental. Hace poco vi algunas conferencias sobre "dinámica cuántica" que llevan los cálculos ab initio tradicionales al ámbito de la evolución del tiempo, pero parece bastante vanguardista, por ejemplo, AFAIK, la aproximación de Born-Oppenheimer debe reemplazarse con una función de onda nuclear. Por cierto, esto es alucinante: petachem.com/demo.html
@Richard Terrett: Creo que ciertamente es el único método "ab initio MD", ¡es lo suficientemente impactante que exista! Hacer flujos electrónicos con algún tipo de realismo sobre la marcha es, a primera vista, imposible. Me habría contentado con una parametrización ad-hoc molécula por molécula de la superficie potencial para deformaciones de forma a gran escala, además de una aproximación potencial local, o incluso un modelo de energía de flexión/volumen de la región conductora/no conductora. Born/Oppenheimer es lo último de lo que preocuparse a temperatura ambiente. Cualquiera que use una función de onda nuclear es básicamente un tonto.
@RonMaimon: es tautológico señalar que un método utilizado fuera de su rango de validez no proporcionará respuestas razonables.
@Jen: No es tautológico si el rango de validez es esencialmente el conjunto vacío, cuando lo único que funciona son los ejemplos de calibración. ¿Hay algún caso en el que la fuerza atómica MD sea correcta fuera de su conjunto de calibración?
Corrigiendo mi declaración anterior: la función de onda nuclear y el BO pueden coexistir felizmente, según un investigador en el campo.

el espresso cuántico es un paquete que contiene muchos paquetes diferentes para cálculos de estructuras electrónicas.

Ahora está disponible en un contenedor docker y, por lo tanto, es muy fácil de usar.

Docker instalado en linux, windows o mac,

solo necesita ejecutar la imagen de docker que está disponible en dockerhub:

docker ejecutar -d rinnocente/qe-full-6.0

más información en https://hub.docker.com/r/rinnocente/qe-full-6.0 ...

EDIT: Car Parrinello Works!

La crítica a continuación se aplica solo al tipo de dinámica molecular realizada utilizando potenciales moleculares, como lo ejemplifica CHARMM. Esta es la única dinámica molecular a la que había estado expuesto, y es una mierda total.

Hay un segundo tipo de dinámica molecular que incluye los electrones de valencia, un potencial central y un algoritmo inteligente para actualizar el fluido de electrones de valencia. Este es el método Car Parrinello. El método de Car Parrinello contiene la cantidad justa de información para hacer una simulación cuantitativamente correcta, es la dinámica computacional ideal y me sorprende saberlo. Gracias a Richard Terrett por señalarlo.

EDITAR: Respuesta a la pregunta

Utilice CPMD. Si su molécula está en solución, use CPMD más una fuerza aleatoria browniana que represente los efectos del soluto.

Crítica de todo lo demás.

Existe un software que afirma hacer esto, se llama (no CPMD) Dinámica Molecular, y la Dinámica Molecular se usa a menudo en Química y ciencia de materiales para producir simulaciones que, según los defensores, son cuantitativamente precisas para predecir el movimiento microscópico detallado de, por ejemplo, moléculas orgánicas. .

Los principios detrás de este software son fundamentalmente defectuosos y, sin grandes modificaciones, simplemente no brinda resultados cuantitativamente precisos. La dinámica molecular no funciona cuantitativamente para nada más allá de los sólidos homogéneos no conductores y las moléculas pequeñas para las que está calibrada.

Considero que esto es un gran problema, ya que una gran cantidad de dinero de la investigación se destina a producir este software y calibrarlo, y hay muchas personas involucradas en la promoción de este material, lo cual es una pérdida total de tiempo y dinero.

¿Qué es la Dinámica Molecular?

La idea es modelar cada átomo como un punto y dar una ley de fuerza entre átomos adyacentes, de cada tipo diferente. Así que hay una ley de fuerza CC, que modela los ángulos de enlace preferidos, y una ley de fuerza HC, y una ley de fuerza OC y OO. Luego sumas las fuerzas. Luego, corrige el modelo para las interacciones de tres núcleos, como una interacción HHO que fija el ángulo de enlace del agua, y así sucesivamente, hasta que obtenga una coincidencia razonable con una gran cantidad de datos experimentales.

Luego tomas una molécula de la que conoces la estructura y simulas los átomos usando estas leyes de fuerza derivadas de moléculas simples y sólidos monoatómicos. La idea es que obtenga una imagen aproximada de la dinámica solo de la estructura. Esto le permite obtener una imagen dinámica de la química.

La dinámica molecular es una completa falsificación

La razón por la que la Dinámica Molecular falla es que las fuerzas electrónicas y electromagnéticas relevantes entre los átomos y las moléculas no son del todo locales, ni siquiera en una buena aproximación, y la aproximación fundamental en la Dinámica Molecular es que puedes modelarlas usando fuerzas locales, empujones locales y tirones que no dependen de las posiciones globales de los átomos lejanos. Se supone que estas fuerzas son mecánicas, como las fuerzas en un modelo de juguete, y esto significa que las fuerzas se transmiten como ondas de sonido entre los átomos, mientras que en las moléculas reales las fuerzas relevantes suelen ser puramente electrónicas y no locales.

Es simple ilustrar esto usando moléculas simétricas: si tiene un anillo de benceno, los electrones se propagan alrededor del anillo, como un cable que conduce una corriente, y estas corrientes de electrones le dan rigidez al anillo, como un alambre de metal rígido microscópico. Las propiedades mecánicas del benceno no pueden aproximarse mediante un modelo que no tenga en cuenta los electrones deslocalizados en el anillo. Las corrientes electrónicas se interrumpen al mover los carbonos, y transmiten fuerzas a la velocidad de las variaciones de densidad de electrones (la velocidad orbital de los electrones en el modelo de Bohr, mucho mayor que la velocidad del sonido).

Esta no es una situación atípica. Los esqueletos moleculares del ADN y el ARN contienen electrones deslocalizados y las propiedades mecánicas de las moléculas están determinadas por las regiones donde se deslocalizan los electrones. Simplemente no se puede predecir la rigidez del ADN conociendo la rigidez de las subpartes de dos o tres átomos, sin conocer los caminos fáciles para la deslocalización de electrones.

Este problema es casi imposible de solucionar, porque agregar más fuerzas no locales requiere cálculos sofisticados que son fundamentalmente diferentes a los potenciales de 2 y 3 cuerpos. Requieren un modelo de flujo de fluido separado sobre los átomos como mínimo, lo que dará el flujo de electrones deslocalizados.

¿Es reparable?

Creo que la idea fundamental de MD es incorrecta, por lo que no tengo ninguna esperanza de que sea útil en ningún momento, nunca. Pero una idea diferente podría hacer lo mismo correctamente.

Para que algo como MD funcione, se debe tener en cuenta al menos:

  • Electrones deslocalizados en moléculas
  • interacciones electromagnéticas de largo alcance

Lo más importante, incluso si conoce las fuerzas exactas, la idea de simular el movimiento molecular mediante aceleraciones y colisiones es simplemente una idiotez. La simulación debe ser, como mínimo, estocástica, no determinista, de modo que Monte-Carlo encuentre el impulso que fluye a través de cada región local, mientras que la dinámica estocástica solo simula las variables globales lentas (como la forma general de las moléculas). Las cosas pequeñas siempre están congeladas (como los electrones) o en equilibrio térmico (como núcleos que se mueven o moléculas pequeñas).

  • MD debe tener en cuenta el equilibrio estadístico local.

CPMD soluciona el problema principal de la deslocalización electrónica. Este problema es tan apremiante, porque sin él, las simulaciones moleculares son básicamente fraudulentas.

Vota a la baja, MD sigue siendo una mierda.
No DV, pero algunos puntos. Si bien esto es entretenido, estás equivocado en lo siguiente: Primero, MD no es el único juego en la ciudad cuando se trata de hacer estas cosas, y esto no es una pregunta sobre qué tan malo es MD, aunque supongo que sí. está dentro del alcance. Segundo: tiene razón en que MD no maneja electrones no locales, pero nuevamente, como señala, no está destinado a hacerlo: ¡no se enoje con la tostadora porque no puede cortar el césped! Tercero: no vuelvas a reinventar la rueda. Existen DFT, QMC, y muchos otros, con condiciones básicas de validez y aplicabilidad.
@Jen: El problema con MD es que se vende como si realmente fuera preciso para algo , y las personas se dejan atrapar por él y escriben documentos falsos basados ​​​​en los resultados. DFT es demasiado intensivo numéricamente para simulaciones de la vida real. Lo único que realmente hacen los electrones deslocalizados es crear ciertas energías de flexión en las cadenas deslocalizadas, que pueden aproximarse geométricamente sin una simulación completa de los detalles. Puede dar una descripción de la flexión de una manguera de jardín simplemente usando un modelo grueso para el agua, pero si solo usa la elasticidad de la goma y hay agua fluyendo a través...
Quantum Monte-Carlo tampoco sirve para simulaciones en tiempo real. La idea de la dinámica molecular, de hacer una simulación clásica con una ley de fuerza, es correcta (si se implementa estocásticamente con la escala de tiempo aproximada adecuada). Es solo la implementación real, que no parametriza los electrones deslocalizados y las fuerzas electromagnéticas no locales, lo que está mal. No es demasiado difícil modelar ambos fenomenológicamente de una manera que no sea computacionalmente intensiva, pero que requiere datos únicos sobre cómo la energía electrónica de los electrones deslocalizados en diferentes grupos atómicos depende de la forma.
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