Моделирование – «наш» метод познания. Программа молекулярной динамики XMD

 СЕРГЕЙ ИЛЬИЧЕВ, ОУ «ТПКГ», г. Тула, системный администратор и учитель информатики, sergil68@mail.ru

Моделирование – «наш» метод познания
Программа молекулярной динамики XMD

Познакомимся с одним из решений моделирования процессов, происходящих в веществе на уровне атомов, молекул и кристаллических решеток. Речь пойдет о классической программе молекулярной динамики – XMD [1]

Этот материал может быть интересен как учителям информатики, старшеклассникам и студентам (тема «Моделирование» есть в перечне требований к предметным результатам Федерального государственного образовательного стандарта среднего (полного) общего образования), так и инженерам и исследователям различных специальностей (физика, химия, металловедение, материаловедение, дефектоскопия и т.д.). И, наконец, это может быть интересно просто людям любознательным, к которым, можно с уверенностью сказать, относятся большинство программистов и сисадминов.

Компьютерное моделирование – это современный и (в этом сходятся мнения многих исследователей) перспективный метод познания. Компьютерные модели проще и удобнее исследовать в случаях, когда реальные эксперименты затруднены из-за финансовых, физических или других препятствий, и описываемый метод моделирования не является исключением.

Программы молекулярной динамики

Молекулярная динамика (МД), или метод молекулярной динамики, известна с середины ХХ века (первая работа, посвященная МД, вышла в 1957 году – авторы Б. Алдер и Э. Вайнрайт). Изначально разработанный в теоретической физике этот метод моделирования получил большое распространение в химии и начиная с 1970-х годов в биохимии и биофизике. В наше время нанотехнологий с помощью средств МД уже изготавливают лекарства, и, возможно, в ближайшем будущем возникнет и новая специальность, например, «молекулярный инженер-конструктор» [2].

Для описания движения атомов или частиц в этом методе применяется классическая механика, при этом силы межатомного взаимодействия представляются в форме потенциальных сил (см. [3]). Если говорить точнее, в МД рассчитывается движение для каждого отдельного атома. Такой алгоритм осуществляется следующим образом:

• начальные положения, скорости и массы каждого атома определены;
• метод использует межатомные потенциалы, которые определяются заранее как функция потенциальной энергии, зависящая от расстояния между атомами (в простейшем случае);
• используя ППВ, положения атомов и скорости, рассчитывается новое положение частиц через определенный временной интервал, который называется «шаг моделирования». Эти новые положения и скорости становятся исходными для шага вычислений 2, шаги 2, 3, 4 и т.д. повторяются через выбранный временной интервал;
• как правило, моделирование молекулярной динамики будет включать тысячи таких временных шагов, каждый из которых соответствует доле пикосекунды (10-12 секунды).

Этот алгоритм – по существу интеграция ньютоновских уравнений движения материальной точки во времени, решение которых приводит к определенным положениям частиц и скоростям (желающим вникнуть в физику процесса глубже поможет любой поисковик или список литературы, приведенный в конце статьи).

В описаниях метода говорится, что МД нельзя противопоставлять натурным экспериментам, однако исследователям для понимания процессов, происходящих в веществе, иногда просто необходима визуализация (или расчет) движения атомов и структуры моделируемой системы. В настоящее время возможности персональных компьютеров позволяют проводить моделирование с помощью МД и получать при этом результаты (кстати, очень близкие к результатам настоящих экспериментов), которые еще десять лет назад могли быть получены лишь с помощью суперкомпьютеров. То есть исследователь при минимальных затратах может получить в свое распоряжение еще один весьма полезный и универсальный инструмент оценки результатов экспериментов [4, 5].

Существует множество программ для моделирования методом МД (список некоторых из них см. в таблице 1). В основном это иностранные пакеты программирования, для изучения которых потребуется знание английского языка. Хотя, нужно сказать, известны публикации еще советских ученых по этому вопросу [6], в которых видны основные принципы современных компьютерных систем МД. Однако массового применения эти разработки так и не получили в связи с известными событиями в нашей стране в 90-х годах прошлого века. Отрадно, что в настоящее время в российской науке возвращается интерес к данной теме (например, вот что нашлось в Google по запросу «российские системы молекулярной динамики» [5, 7]).

Еще один пакет программ, который не вошел в таблицу 1, но о котором пойдет речь, – это XMD. Предназначен он в основном для моделирования процессов, происходящих в металлах и керамике. Программа разработана в Коннектикутском университете США (University of Connecticut) под руководством Джона Рифкина (Jon Rifkin), доступна в исходных кодах и распространяется бесплатно под лицензией GPL. Пакет XMD постоянно дорабатывается, и на момент написания статьи используется версия программы 2.5.38. Отличительной особенностью этой программы, для работы с которой используется интерфейс командной строки (Command Line Interface, CLI), является то, что на ее вход подается текстовый файл, в котором исследователь с помощью специальных команд описывает необходимую кристаллическую решетку вещества и физические условия проведения эксперимента, а контролируемые показатели на выходе также записываются в файл. По существу для работы, кроме XMD, нужен лишь обычный текстовый редактор (подобный интерфейс еще имеет, например, пакет программ для моделирования LAMMPS).

Отсутствие графического интерфейса пользователя имеет даже свои преимущества – дает возможность разработчикам сосредоточиться на отладке численных методов и логике работы программы, а графика появляется лишь там, где она необходима, – при визуализации результатов эксперимента (об этом мы обязательно поговорим позднее).

Таблица 1. Программы для моделирования методом МД

Статью целиком читайте в журнале «Системный администратор», №7-8 за 2014 г. на страницах 111-115.

PDF-версию данного номера можно приобрести в нашем магазине.

Комментарии могут оставлять только зарегистрированные пользователи