Moleküldynamik

Moleküldynamik oder Molekulardynamik (MD) ist eine Art Computersimulation , bei der Atome und Moleküle für einen gewissen Zeitraum unter bekannten Naturgesetzen wechselwirken. Im Allgemeinen bestehen molekulare Systeme aus einer Vielzahl von Partikeln. Es ist daher unmöglich, die Eigenschaften solcher komplexen Systeme auf analytische Weise zu berechnen. MD Simulation benutzt statt dessen einen numerischen Ansatz und ist somit als Schnittstelle zwischen Laborexperimenten und Theorie anzusehen.

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Der Begriff Moleküldynamik wird manchmal auch als Synonym für die Discrete element method (DEM) gebraucht, weil die Methoden sehr ähnlich sind. Die Partikel in DEM müssen aber keine chemische Moleküle sein. In den meisten Kontexten steht der Begriff MD für die Simulation im Bereich physikalischer Chemie.

Physikalische Prinzipien

Mikrokanonisches Ensemble (NVE)

Das System ist isoliert und tauscht keine Masse (N), Volumen (V) oder Energie (E) mit der Umgebung aus. Für ein System mit N Partikeln, mit zugehörigen Koordinaten X und Geschwindigkeiten , kann man folgendes Paar gewöhnlicher Differentialgleichungen aufstellen:

Die Funktion der potenziellen Energie U(X) beschreibt dabei die gegenseitigen Anziehungen und Abstossungen der Moleküle. U(X) ist auch als Kraftfeld bekannt. Man erhält dieses meistens aus quantenmechanischen Berechnungen (Quantenchemie) und/oder spektroskopischen Experimenten. Trotzdem wird das Kraftfeld meist mit einer angepassten klassischen Funktion dargestellt.