T1 Water Modelling - Desain Pemodelan Grafik (Bab II)

BAB 2. Konsep Water Modelling

Dalam pembuatan Water Modelling kali ini kita akan membuat simulasi dari penggambaran sebenarnya dari sebuah air yang jatuh dari ketinggian tertentu ke dalam sebuah bejana atau wadah yang di buat dengan volume bejana yang telah di tentukan dan wadah tersebut akan terisi air yang jatuh tersebut sehingga wadah akan terisi penuh oleh air. Konsep yang di gunakan dalam kimia komputasi , model klasik air yang digunakan untuk simulasi cluster air , cairan air, dan larutan encer dengan pelarut eksplisit. Model ini menggunakan perkiraan dari mekanika molekul. dapat diklasifikasikan dengan jumlah poin yang digunakan untuk mendefinisikan model (atom ditambah situs dummy), Sebuah alternatif untuk model air eksplisit adalah dengan menggunakan solvasi implisit model, juga dikenal sebagai model kontinum, contoh yang akan menjadi model solsavi. Sebuah model air di definisikan oleh geometri, bersama-sama dengan parameter lain seperti biaya atom dan Lennard-Jones parameter.

Model air sederhana

1. Model air sederhana memperlakukan molekul air sebagai kaku dan hanya bergantung pada interaksi non-berikat . Interaksi elektrostatik dimodelkan menggunakan hukum coloumb dan gaya dispersi dan tolakan menggunakan potesial Lennard-jones . Potensi untuk model seperti TIP3P dan TIP4P diwakili oleh

di mana k C, kostanta elektrostatik, memiliki nilai 332.1 Å · kkal / mol dalam satuan yang umum digunakan dalam pemodelan molekul, q i adalah biaya parsial relatif terhadap muatan elektron, r ij adalah jarak antara dua atom atau situs dibebankan, dan A dan B adalah Lennard-Jones parameter. Situs dibebankan mungkin pada atom atau pada situs dummy (seperti pasangan mandiri). Dalam model air yang paling, istilah Lennard-Jones hanya berlaku untuk interaksi antara atom oksigen. Gambar di bawah menunjukkan bentuk umum dari 3 - 6 untuk model air-situs. Parameter geometrik yang tepat (jarak dan sudut OH HOH) bervariasi tergantung pada model.

2. Sebuah model tempat air yang didasarkan pada model tiga-situs asing SPC telah ditunjukkan untuk memprediksi sifat dielektrik dari air dengan menggunakan situs-renormalized teori cairan molekul

3. model memiliki situs interaksi tiga, sesuai dengan tiga atom dari molekul air. Setiap atom akan diberi muatan titik, dan atom oksigen juga mendapatkan Lennard-Jones parameter. model ini sangat populer untuk dinamika molekul simulasi karena kesederhanaan dan efisiensi komputasi. Kebanyakan model menggunakan geometri kaku yang cocok dengan geometri diketahui dari molekul air. Pengecualian adalah model SPC, yang mengasumsikan bentuk tetrahedral yang ideal (HOH sudut 109,47 °) bukan sudut diamati 104,5 °. Tabel di bawah ini daftar parameter untuk beberapa model.

Model SPC / E menambahkan koreksi polarisasi rata-rata untuk fungsi energi potensial:

di mana μ adalah dipole dari molekul air secara efektif terpolarisasi (2,35 D untuk model SPC / E), μ 0 adalah momen dipol dari molekul air yang terisolasi (1,85 D dari percobaan), dan α i adalah polarisabilitas isotropik konstan, dengan nilai 1,608 × 10 -40 F m 2. Karena biaya dalam model adalah konstan, koreksi ini hanya menghasilkan menambahkan 1,25 kkal / mol (5.22 kJ / mol) dengan energi total. Hasil Model SPC / E di kepadatan yang lebih baik dan difusi konstan dari model SPC.

Model TIP3P diimplementasikan dalam CHARMM medan kekuatan adalah sedikit versi modifikasi dari aslinya. Perbedaannya terletak pada Lennard-Jones parameter: seperti TIP3P, versi CHARMM model menempatkan Lennard-Jones parameter pada atom hidrogen juga, di samping satu di oksigen. Tuduhan tidak dimodifikasi.

Fleksibel SPC air Model

Titik muatan fleksibel sederhana air model (atau model air Fleksibel SPC) adalah re-parametrization dari model air tiga-situs SPC. Model SPC kaku, sementara model SPC fleksibel fleksibel. Dalam model Toukan dan Rahman, OH peregangan dibuat anharmonic dan dengan demikian perilaku dinamis baik dijelaskan. Ini adalah salah satu dari tiga pusat yang paling akurat air model tanpa memperhitungkan polarisasi . Dalam dinamika molekuler simulasi memberikan yang benar kepadatan dan permitivitas dielektrik air.

4. model menempatkan muatan negatif pada atom dummy (berlabel M dalam gambar) ditempatkan dekat oksigen sepanjang bisektris dari sudut HOH. Hal ini meningkatkan distribusi elektrostatik di sekitar molekul air. Model pertama yang menggunakan pendekatan ini adalah model Bernal-Fowler diterbitkan pada tahun 1933, yang juga merupakan model air awal. Namun, model BF tidak mereproduksi dengan baik sifat sebagian besar air, seperti kerapatan dan panas penguapan , dan karena itu hanya kepentingan sejarah. Ini merupakan konsekuensi dari metode parameterization, model-model baru, yang dikembangkan setelah komputer modern menjadi tersedia, yang parameter dengan menjalankan metropolis monte carlo atau dinamika molekul simulasi dan menyesuaikan parameter sampai sifat massal yang direproduksi dengan cukup baik. Model TIP4P, pertama kali diterbitkan pada tahun 1983, secara luas diimplementasikan dalam paket perangkat lunak kimia komputasi dan sering digunakan untuk simulasi sistem biomolekuler. Ada reparameterizations berikutnya dari model TIP4P untuk keperluan tertentu: model TIP4P-Ew, untuk digunakan dengan metode penjumlahan Ewald, TIP4P/Ice, untuk simulasi air es padat, dan TIP4P/2005, sebuah parameterisasi umum untuk mensimulasikan seluruh diagram fase air terkondensasi.

5. model menempatkan muatan negatif pada atom dummy (berlabel L) mewakili pasangan mandiri dari atom oksigen, dengan geometri tetrahedral seperti. Sebuah model awal dari jenis adalah model BNS dari Ben-Naim dan Stillinger, diusulkan pada tahun 1971, segera digantikan oleh model ST2 dari Stillinger dan Rahman pada tahun 1974. Terutama disebabkan oleh kenaikan biaya komputasi mereka, lima-situs model tidak dikembangkan banyak sampai tahun 2000, ketika model TIP5P dari Mahoney dan Jorgensen diterbitkan. Bila dibandingkan dengan model sebelumnya, hasil model TIP5P perbaikan dalam geometri untuk dimer air , yang lebih "tetrahedral" air struktur yang baik mereproduksi percobaan fungsi distribusi radial dari difraksi neuron, dan suhu kepadatan maksimum air. Model TIP5P-E adalah reparameterization dari TIP5P untuk digunakan dengan jumlah Ewald.

 

Catatan, bagaimanapun, bahwa BNS dan ST2 model tidak menggunakan hukum Coulomb langsung untuk istilah elektrostatik, tapi versi modifikasi yang diperkecil pada jarak pendek dengan mengalikan dengan fungsi switching S (r):

Oleh karena itu L dan U R R parameter hanya berlaku untuk BNS dan ST2.

6. menggabungkan semua situs dari 4 - dan 5-situs Model ini dikembangkan oleh Nada dan van der Eerden. Awalnya dirancang untuk mempelajari air / es sistem, namun memiliki titik leleh yang sangat tinggi

Komputasi biaya

Biaya komputasi dari simulasi air meningkat dengan jumlah situs interaksi dalam model air. Waktu CPU adalah sekitar sebanding dengan jumlah jarak interatomik yang perlu dihitung. Untuk model 3-situs, 9 jarak yang diperlukan untuk setiap pasangan molekul air (setiap atom dari satu molekul terhadap setiap atom dari molekul lain, atau 3 × 3). Untuk model 4-situs, 10 jarak yang diperlukan (setiap situs dibebankan dengan setiap situs dibebankan, ditambah interaksi OO, atau 3 × 3 + 1). Untuk model 5-situs, 17 jarak yang diperlukan (4 × 4 + 1). Akhirnya, untuk model 6-situs, 26 jarak yang diperlukan (5 × 5 + 1). Bila menggunakan model air kaku dalam dinamika molekuler, ada biaya tambahan yang terkait dengan menjaga struktur dibatasi, menggunakan algoritma kendalan panjang ikatan dibatasi sering mungkin untuk meningkatkan langkah waktu).