Εργαστηριακή άσκηση Ιδιότητες οργανικών από προσομοίωση Μοριακής Δυναμικής

Transcript

1 Κλασσική ατομιστική προσομοίωση Εργαστηριακή άσκηση Ιδιότητες οργανικών από προσομοίωση Μοριακής Δυναμικής Δ.Γ. Παπαγεωργίου Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 1 Λογισμικό NAMD VMD: Visual Molecula Dynamics AmbeTools GNPLOT Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 2

2 Σύστημα υπό μελέτη Αιθανόλη Αντίστοιχη υπολογιστική μελέτη: Stuctue and Dynamics of Liquid Ethanol J. Phys. Chem. B 1997, 101, Προσομοίωση Μοριακής Δυναμικής σε: Αέρια φάση Υγρή φάση Ιδιότητες σε θερμοκρασία δωματίου: Πυκνότητα Ενθαλπία εξάτμισης Προτιμητέες διαμορφώσεις Συνάρτηση ακτινικής κατανομής Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση Πεδίο δυνάμεων GAFF Development and testin of a eneal Ambe foce field J. Comput. Chem. 25: , bonds k 2 l l b 0 anles k a 2 0 Vn 1 cosn dihedals n 2 Παραμόρφωση δεσμών Κάμψη γωνιών Περιστροφή γύρω από δεσμό 1 atompais A ij ij 12 B ij 6 ij Αλληλεπιδράσεις VdW atompais qiq j 4 0 ij Ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις μερικά ατομικά φορτία Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 4

3 Απαραίτητα αρχεία Απαραίτητα αρχεία: Το μόριο της αιθανόλης th ethanol.mol2 l2 Αρχεία προετοιμασίας t1.in, t2.in Αρχεία εισόδου για το NAMD n1.in, n2.in, box.xsc Διαθέσιμα από την ιστοσελίδα: Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 5 Οπτικοποίηση του μορίου vmd ethanol.mol2 Βασικές ενέργειες: Display Othoaphic Gaphics Repesantations DawinMethod CPK Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 6

4 Η διαδικασία σχηματικά Μέγεθος κουτιού out1.xst Μόριο αιθανόλης ethanol.mol2 Αρχείο εντολών t1.in Τελευταίο στιγμιότυπο out1.coo, out1.vel Πρόγραμμα προετοιμασίας tleap Αρχείο δομής και παραμέτρων ρ mol1.pmtop Αρχείο συντεταγμένων mol1.inpcd Μέγεθος κουτιού προσομοίωσης box.xsc Αρχείο τροχιάς out1.dcd Αρχείο καταγραφής out1.lo Πρόγραμμα προσομοίωσης namd2 Αρχείο εντολών n1.in Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 7 Προσομοίωση στην αέρια φάση Προετοιμασία των αρχείων εισόδου για το NAMD: tleap f t1.in Αρχεία που δημιουργούνται: leap.lo αρχείο καταγραφής mol1.pmtop t αρχείο δομής και παραμέτρων mol1.inpcd αρχείο συντεταγμένων Διεξαγωγή της προσομοίωσης: namd2 n1.in tee out1.lo Αρχεία που δημιουργούνται: out1.lo αρχείο καταγραφής out1.dcd αρχείο τροχιάς οut1.coo συντεταγμένες τελευταίου βήματος οut1.vel ταχύτητες τελευταίου βήματος Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 8

5 Οπτικοποίηση της τροχιάς vmd mol1.pmtop out1.dcd Αρχείο τροχιάς Αρχείο δομής και παραμέτρων Βασικές ενέργειες: Display Othoaphic Gaphics Repesantations DawinMethod CPK Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 9 Επιθεώρηση των αρχείων Ενεργοποιούμε τον Text Edito Ανοίγουμε Open τα αρχεία: ethanol.mol2 t1.in mol1.pmtop mol1.inpcd n1.in out1.lo Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 10

6 Εξαγωγή αποτελεσμάτων από το αρχείο καταγραφής Μόλις τελειώσει η προσομοίωση μπορούμε να εξάγουμε αριθμητικά αποτελέσματα από το αρχείο καταγραφής out1.lo namd-temp < out1.lo > t1 Αρχείο στο οποίο θα γραφεί η θερμοκρασία Αρχείο καταγραφής Χρονικό βήμα θερμοκρασία Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 11 Γραφική παράσταση με το Gnuplot nuplot nuplot> plot t1 u 1:2 w l t1 Αρχείο με δεδομένα u 1:2 w l Ποιές στήλες να χρησιμοποιηθούν για τους άξονες x και y Τα σημεία να ενωθούν με γραμμές nuplot> exit Έξοδος από το nuplot Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 12

7 Μέση τιμή θερμοκρασίας av < t1 2 Στήλη Η άθροιση ξεκινά από αυτή τη γραμμή Η άθροιση τελειώνει σε αυτή τη γραμμή t1 Αρχείο εισόδου Αποτέλεσμα στην οθόνη: Numbe of data: Aveae: Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 1 Δυναμική ενέργεια namd-eney < out1.lo > e1 Εξαγωγή από το αρχείο καταγραφής nuplot nuplot> plot e1 u 1:2 w l nuplot> lt> exit Γραφική παράσταση av < e1 Μέση τιμή Η μέση τιμή της ενέργειας θα μας χρειαστεί αργότερα. Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 14

8 Προτιμητέες διαμορφώσεις vmd mol1.pmtop out1.dcd Eνέργειες: ς Display Othoaphic Gaphics Repesantations Dawin Method CPK Mouse Label Dihedals Click στα άτομα C C O H Gaphics Labels Dihedals επιλογή γωνίας Gaph Save a nuplot> plot 'a nuplot> lt> binwidth=5idth nuplot> binx,width=width*floox/width nuplot> plot 'a' usin bin$2,binwidth:1.0 smooth feq with boxes Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 15 Προσομοίωση στην υγρή φάση Προετοιμασία των αρχείων εισόδου για το NAMD: tleap f t2.in Αποτέλεσμα: Solute vdw boundin box: Total boundin box fo atom centes: Solvent unit box: Total vdw box size: anstoms. Volume: A^ Total mass amu, Density 0.50 /cc Αρχεία που δημιουργούνται: leap.lo αρχείο καταγραφής mol2.pmtop αρχείο δομής και παραμέτρων mol2.inpcd αρχείο συντεταγμένων Μέγεθος κουτιού προσομοίωσης Χρειαζόμαστε ως επιπλέον είσοδο στο NAMD, αρχείο με το μέγεθος του κουτιού της προσομοίωσης box.xsc Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 16

9 Προσομοίωση στην υγρή φάση Διεξαγωγή της προσομοίωσης: namd2 n2.in tee out2.lo Χρονοβόρο Αρχεία που δημιουργούνται: out2.lo αρχείο καταγραφής out2.dcd αρχείο τροχιάς οut2.xst t μέγεθος κουτιού οut2.coo συντεταγμένες τελευταίου βήματος οut2.vel ταχύτητες τελευταίου βήματος Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 17 Επιθεώρηση των αρχείων Διαφορές του n2.in από το n1.in Όνομα αρχείων εξόδου: οut2 Γράφουμε την τροχιά κάθε 10 βήματα. Γράφουμε τις διαστάσεις του κουτιού σε κάθε βήμα. Περιοδικό σύστημα, ορίζουμε κουτί. Περιοδικό σύστημα, άθροιση ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων Ewald. Ενεργοποιούμε τον Text Edito Ανοίγουμε Open τα αρχεία: t2.in n2.in Υπολογισμός ηλεκτροστατικών και VdW κάθε 20 βήματα. Βαροστάτης για έλεγχο της πίεσης. Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 18

10 Οπτικοποίηση αποτελεσμάτων vmd vmd mol2.pmtop out2.dcd Αρχείο τροχιάς Αρχείο δομής και παραμέτρων Εέ Ενέργειες: Display Othoaphic Στο τερματικό: pbc box cente oiin Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 19 Θερμοκρασία namd-temp < out2.lo > t2 Εξαγωγή από το αρχείο καταγραφής nuplot nuplot> plot t2 u 1:2 w l nuplot> lt> exit Γραφική παράσταση av < t2 Μέση τιμή Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 20

11 Δυναμική ενέργεια namd-eney < out2.lo > e2 Εξαγωγή από το αρχείο καταγραφής nuplot nuplot> plot e2 u 1:2 w l nuplot> lt> exit Γραφική παράσταση av < e2 Μέση τιμή Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 21 Πίεση namd-pess < out2.lo > p2 Εξαγωγή από το αρχείο καταγραφής nuplot nuplot> plot p2 u 1:2 w l nuplot> lt> exit Γραφική παράσταση av < p2 Μέση τιμή Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 22

12 Μέγεθος κουτιού προσομοίωσης namd-box < out2.xst > b2 Εξαγωγή από το αρχείο καταγραφής Χρονικό βήμα x y z nuplot Γραφική παράσταση nuplot> plot b2 u 1:2 w l, u 1: w l, u 1:4 w l nuplot> exit av < b2 av < b2 av < b2 Μέση τιμή Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 2 Πυκνότητα Αφού βρήκαμε τις διαστάσεις του κουτιού μπορούμε να υπολογίσουμε την πυκνότητα : m V Η ολική ήμάζα του συστήματος έχει υπολογιστεί από το NAMD και είναι γραμμένη στο αρχείο out2.lo TOTAL MASS. Πειραματικά δεδομένα: Υπολογιστική μελέτη: Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 24

13 Ενθαλπία εξάτμισης Ενθαλπία εξάτμισης PV H PV H Θερμοδυναμικός ορισμός Στην αέρια φάση PV H l l l PV H Στην αέρια φάση Στην υγρή φάση T k PV V P V H H H B l l l vap Ενθαλπία εξάτμισης: Υπολογιστική μελέτη: Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 25 Συνάρτηση ακτινικής κατανομής Συνάρτηση ακτινικής κατανομής Δείχνει πως μεταβάλλεται η αριθμητική πυκνότητα καθώς απομακρυνόμαστε από το άτομο. V N V N 1 N N N V Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 26

14 Συνάρτηση ακτινικής κατανομής Οι κορυφές δείχνουν μια προτιμώμενη απόσταση για τους γείτονες ενός ατόμου. Έτσι η συνάρτηση ακτινικής κατανομής παρέχει λεπτομέρειες σχετικά με τη δομή του συστήματος. Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 27 Συνάρτηση ακτινικής κατανομής vmd mol2.pmtop out2.dcd Extensions Analysis Radial Pai Distibuon Funcon Υπολογιστική μελέτη Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 28