Вход

Компьютерное моделирование полимеров

Реферат по информатике и информационным технологиям
Дата добавления: 05 сентября 2010
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 931 кб (архив zip, 49 кб)
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
21 «Компьютерное моделировани е полимеров» План ВВЕДЕНИЕ 1. ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К МАТЕМАТИЧЕСКОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ МАКРОМОЛЕКУЛ 2. МЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МОЛЕКУЛЫ 3. МЕТОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ (МД) 4. МЕТОД МОНТЕ-КАРЛО (МК) 5. ОСОБЕННОСТИ КОМПЬЮТЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА 6. Применен ия компьютерного эксперимента 7. Преимуще ства компьютерного моделирования СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Введение В настоящее время полимеры имеют огромное значени е для жизнедеятельности человека, но еще большую роль не только для жизн и людей, но и жизни в целом, играют биологические макромолекулы, своеобра зные природные полимеры: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. В жив ой клетке все эти макромолекулы играют разные роли: хранение генетическ ой информации, запас питательных веществ и энергии, самовоспроизводств о клети и ее органелл, защита от проникновения инородных тел, транспорт р азличных молекул или ионов и многие другие, без которых невозможно предс тавить жизнедеятельность клетки. Все биологические макромолекулы разл ичны и по молекулярной массе, и по "внешнему" виду макромолекулы, то есть п о конформации (от сфер до жестких палочек). Однако есть у них и общие черты: 1). Так как макромолекулы состоят из огромного (сотни тыс яч - миллионы) числа атомов, то даже одна молекула в ряде случаев может рас сматриваться как "молекулярная система". 2). Макромолекулы (белки или нуклеиновые кислоты) мог ут изменять свою конформацию в широких пределах, что очень сильно влияет на физические и физиологические свойства молекул (вязкость растворов, б иологическая активность и т. п.). 3). Атомы в составе макромолекулы соединены ковалентной связью, в строгом порядке и представляют собой одно целое, кроме того, макромолекулы даже в относительно разбавленных растворах не могут двигаться независимо д руг от друга. Поэтому по сравнению с такими же по химическому составу низ комолекулярными соединениями они имеют аномально низкую энтропию и, ка к следствие, высокую чувствительность к различным низкоэнергетическим воздействиям. Изучение связи этих свойств со строением макромолеку л и основными физическими факторами (температура, растворитель и др.) и со ставляет основу теоретических разделов науки о полимерах. Развитие учения о полимерах можно разделить на нес колько этапов. Первый этап, охватывает собой все достижения сделанные в этой области до конца 60-х годов XX века. Он завершился созданием конформационной статистики ма кромолекул, основы которой изложены в трех классических монографиях. За вершением этого этапа следует признать вручение Нобелевской премии по химии американскому физикохимику, профессору Стенфордского университ ета Полу Флори в 1974 году. Его исследования в этой области открыли дорогу ме тодам конформационной статистики, связав свойства растворов полимеров с конформацией отдельных макромолекул в нем. Его теоретическое рассмот рение основывалось на приближенных феноменологических представления х, что и было характерно для того этапа развития. Следующий этап начался в 70-е годы и длится по сей день. Он ознаменован вхож дением в науку о полимерах новых представлений, таких как идеи и методы ф луктуационной теории фазовых переходов и физики твердого тела. Огромны й вклад был сделан такими выдающимися физиками-теоретиками как француз П. - Ж де Жен и наш соотечественник И. М. Лившица . Де Жен, в частности, создал и зящную и наглядную методологию описания равновесных и динамических св ойств полимеров, названной теорией скейлинга. За это де Жен получил Нобе левскую премию по физике. В предисловии к своей монографии он называет т ри главных обстоятельства, сделавших возможным прогресс науки о полиме рах: во-первых, внедрение мощных экспериментальных методов исследовани я, как метод рассеяния нейтронов, позволяющих экспериментально определ ить многие характеристики полимерных материалов, вплоть до конформаци и макромолекул и строения доменов. Во-вторых, привлечение существующих т еоретических концепций из других разделов физики и создание новых теор ий. И, наконец, в-третьих, интенсивное использование специальных методов машинного моделирования. В последнее время роль вычислительной машины в науке с ильно изменилась. Машина уже не только хранит и перерабатывает заложенн ые в нее экспериментальные данные, но и выступает в роли самостоятельног о источника новых физических знаний. За этим новым и довольно неожиданны м применением компьютеров утвердилось название компьютерный эксперим ент. Основан он на математическом моделировании, которое применяется уж е около двух веков, но только после появления электронно-вычислительных машин он стал применяться для изучения простых жидкостей и, именно, с его помощью были получены важные сведения о структуре и динамике конденсир ованных систем (в частности о структуре жидкой воды). Моделирование боле е сложных молекул полимеров и даже объектов живой природы начало развив аться позднее. Роль компьютерного моделирования в методологии на уки о полимерах сложно недооценить - оно произвело настоящую революцию в науке. До этого все естественные науки имели довольно строгое разделени е на теоретическое и экспериментальное направления. Компьютерное моде лирование, являясь, по сути, и тем и другим, сгладило это историческое деле ние. Со времени своего возникновения и по сей день, в этой области естеств ознания идут процессы "структурообразования": накапливаются методы, при емы моделирования, появляются новые (более точные) модели и т. д. С увеличе нием производительности компьютеров расширяется круг задач посильных компьютерному эксперименту. Так в настоящее время моделируется не стру ктура чистого растворителя, а ассоциаты возникающие в растворах амфоли тов, моделируются процессы проходящие в биологических мембранах и даже целые биологические реакции как, например фотосинтез. 1. О сновные подходы к математическому моделированию макромолекул Основная задача статистической теории - вычислени е средних значений различных величин, которые характеризуют поведение системы в состоянии равновесия. Существуют два подхода к решению этой об щей задачи. В первом случае среднее значение <А> некоторого свойства A ( r , v ), которое предпол агается зависящим от совокупности координат- r и скоростей v частиц, определяют путем усре днения множества "мгновенных" значений A [ r ( t ), v ( t )], наблюдаемых в последовательн ые моменты времени t н а достаточно протяженном интервале : А = (1.1) Этот подход, называемый усре днением по времени, исходит из того, что нам известн ы законы движения частиц системы. Альтернативный путь вычисления средних значений параметров системы бы л намечен еще Больцманом, а затем развит Гиббсом в стройную теорию. Идея э того подхода заключается в том, что наблюдаемое свойство рассматривает ся не как среднее по времени, а как среднее по множеству различных состоя ний системы, которые возникают с определенной вероятностью. Такой подхо д называют усреднением по ансамблю. Вероятность (или частота) возникновения того или иного состо яния пропорциональна его статистическому весу = e - U / kT , где U - потенциальная энергия данной конфигу рации, k - константа Больцмана, Т - абсолютная температура. В этом случае наблюдаемые средние зн ачения даются общим выражением А =
© Рефератбанк, 2002 - 2017