Εργαστηριακή άσκηση Ιδιότητες οργανικών από προσομοίωση Μοριακής Δυναμικής Λογισμικό NAMD http://www.ks.uiuc.edu/research/namd/ VMD: Visua Moecuar Dynamics http://www.ks.uiuc.edu/research/vmd/ AmberToos http://ambermd.or/#ambertoos GNUPLOT http://www.nupot.info/ Δ.Γ. Παπαγεωργίου Εργαστηριακή άσκηση 1 Εργαστηριακή άσκηση 2 Σύστημα υπό μελέτη Πεδίο δυνάμεων GAFF Αιθανόλη Αντίστοιχη υπολογιστική μελέτη: Structure and Dynamics of Liquid Ethano J. Phys. Chem. B 1997, 101, 78 86. Deveopment and testin of a enera Amber force fied J. Comput. Chem. 25: 1157 1174, 2004. Προσομοίωση Μοριακής Δυναμικής σε: Αέρια φάση Υγρή φάση U bonds k ( 2 b 0 ) anes 2 k a 0 Vn 1 cosn dihedras n 2 Παραμόρφωση δεσμών Κάμψη γωνιών Περιστροφή γύρω από δεσμό 1 Ιδιότητες σε θερμοκρασία δωματίου: Πυκνότητα Ενθαλπία εξάτμισης Προτιμητέες διαμορφώσεις Συνάρτηση ακτινικής κατανομής atompairs A rij ij 12 B r ij 6 ij atompairs qiq j 4 0 r ij μερικά ατομικά φορτία Αλληλεπιδράσεις VdW Ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις Εργαστηριακή άσκηση 3 Εργαστηριακή άσκηση 4
Απαραίτητα αρχεία Απαραίτητα αρχεία: Το μόριο της αιθανόλης (ethano.mo2) Αρχεία προετοιμασίας (t1.in, t2.in) Αρχεία εισόδου για το NAMD (n1.in, n2.in, box.xsc) Οπτικοποίηση του μορίου vmd ethano.mo2 Διαθέσιμα από την ιστοσελίδα: http://pc164.materias.uoi.r/dpapaeo/courses/sim/ Βασικές ενέργειες: Dispay Orthoraphic Graphics Represantations Drawin Method CPK Εργαστηριακή άσκηση 5 Εργαστηριακή άσκηση 6 Η διαδικασία σχηματικά Μέγεθος κουτιού out1.xst Προσομοίωση στην αέρια φάση Μόριο αιθανόλης ethano.mo2 Πρόγραμμα προετοιμασίας teap Αρχείο εντολών t1.in Τελευταίο στιγμιότυπο out1.coor, out1.ve Αρχείο τροχιάς out1.dcd Αρχείο καταγραφής out1.o Προετοιμασία των αρχείων εισόδου για το NAMD: teap f t1.in Αρχεία που δημιουργούνται: eap.o mo1.prmtop αρχείο δομής και παραμέτρων mo1.inpcrd αρχείο συντεταγμένων Αρχείο δομής και παραμέτρων mo1.prmtop Αρχείο συντεταγμένων mo1.inpcrd Μέγεθος κουτιού προσομοίωσης box.xsc Πρόγραμμα προσομοίωσης namd2 Αρχείο εντολών n1.in Διεξαγωγή της προσομοίωσης: namd2 n1.in tee out1.o Αρχεία που δημιουργούνται: out1.o out1.dcd αρχείο τροχιάς οut1.coor συντεταγμένες τελευταίου βήματος οut1.ve ταχύτητες τελευταίου βήματος Εργαστηριακή άσκηση 7 Εργαστηριακή άσκηση 8
Οπτικοποίηση της τροχιάς Επιθεώρηση των αρχείων vmd mo1.prmtop out1.dcd Αρχείο τροχιάς Ενεργοποιούμε τον Text Editor Αρχείο δομής και παραμέτρων Ανοίγουμε (Open) τα αρχεία: ethano.mo2 t1.in mo1.prmtop mo1.inpcrd n1.in out1.o Βασικές ενέργειες: Dispay Orthoraphic Graphics Represantations Drawin Method CPK Εργαστηριακή άσκηση 9 Εργαστηριακή άσκηση 10 Εξαγωγή αποτελεσμάτων από το με το Gnupot Μόλις τελειώσει η προσομοίωση μπορούμε να εξάγουμε αριθμητικά αποτελέσματα από το out1.o namd-temp < out1.o > t1 Αρχείο στο οποίο θα γραφεί η θερμοκρασία nupot nupot> pot t1 u 1:2 w Αρχείο καταγραφής 0 616.6892 1 598.9785 2 549.8445 3 480.4587 4 407.7829 5 351.7059 6 319.1103 7 316.6098 8 340.9789 9 379.9655 t1 Αρχείο με δεδομένα u 1:2 Ποιές στήλες να χρησιμοποιηθούν για τους άξονες x και y w Τα σημεία να ενωθούν με γραμμές nupot> exit Έξοδος από το nupot Χρονικό βήμα θερμοκρασία Εργαστηριακή άσκηση 11 Εργαστηριακή άσκηση 12
θερμοκρασίας Δυναμική ενέργεια av 2 25001 50000 < t1 namd-enery < out1.o > e1 2 Στήλη 25001 Η άθροιση ξεκινά από αυτή τη γραμμή 50000 Η άθροιση τελειώνει σε αυτή τη γραμμή t1 Αρχείο εισόδου nupot nupot> pot e1 u 1:2 w nupot> exit av 2 25001 50000 < e1 Η μέση τιμή της ενέργειας θα μας χρειαστεί αργότερα. Αποτέλεσμα στην οθόνη: Number of data: 25000 Averae: 300.02623594499897 Εργαστηριακή άσκηση 13 Εργαστηριακή άσκηση 14 Προτιμητέες διαμορφώσεις Μήκη δεσμών vmd mo1.prmtop out1.dcd vmd mo1.prmtop out1.dcd Eνέργειες: Dispay Orthoraphic Graphics Represantations Drawin Method CPK Eνέργειες: Dispay Orthoraphic Graphics Represantations Drawin Method CPK Mouse Labe Dihedras Cick στα άτομα C C O H Graphics Labes Dihedras (επιλογή γωνίας) Graph Save a Mouse Labe Bonds Cick στα άτομα C C Graphics Labes Bonds (επιλογή δεσμού) Graph Graphics Labes Bonds (επιλογή δεσμού) Save b nupot> pot 'a nupot> binwidth=5 nupot> bin(x,width)=width*foor(x/width) nupot> pot 'a' usin (bin($2,binwidth)):(1.0) smooth freq with boxes av 2 25001 50000 < b μήκους δεσμού Εργαστηριακή άσκηση 15 Εργαστηριακή άσκηση 16
Προσομοίωση στην υγρή φάση Προετοιμασία των αρχείων εισόδου για το NAMD: teap f t2.in Αποτέλεσμα: Soute vdw boundin box: 6.517 4.909 4.731 Tota boundin box for atom centers: 34.517 32.909 32.731 Sovent unit box: 6.517 4.909 4.731 Tota vdw box size: 26.068 34.363 33.117 anstroms. Voume: 29665.370 A^3 Tota mass 8983.260 amu, Density 0.503 /cc Μέγεθος κουτιού προσομοίωσης Αρχεία που δημιουργούνται: eap.o mo2.prmtop αρχείο δομής και παραμέτρων mo2.inpcrd αρχείο συντεταγμένων Προσομοίωση στην υγρή φάση Διεξαγωγή της προσομοίωσης: namd2 n2.in tee out2.o Χρονοβόρο Αρχεία που δημιουργούνται: out2.o out2.dcd αρχείο τροχιάς οut2.xst μέγεθος κουτιού οut2.coor συντεταγμένες τελευταίου βήματος οut2.ve ταχύτητες τελευταίου βήματος Χρειαζόμαστε ως επιπλέον είσοδο στο NAMD, αρχείο με το μέγεθος του κουτιού της προσομοίωσης (box.xsc) Εργαστηριακή άσκηση 17 Εργαστηριακή άσκηση 18 Επιθεώρηση των αρχείων Οπτικοποίηση αποτελεσμάτων (vmd) Διαφορές του n2.in από το n1.in vmd mo2.prmtop out2.dcd Αρχείο τροχιάς Όνομα αρχείων εξόδου: οut2 Γράφουμε την τροχιά κάθε 10 βήματα. Γράφουμε τις διαστάσεις του κουτιού σε κάθε βήμα. Αρχείο δομής και παραμέτρων Περιοδικό σύστημα, ορίζουμε κουτί. Περιοδικό σύστημα, άθροιση ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων (Ewad). Ενεργοποιούμε τον Text Editor Ανοίγουμε (Open) τα αρχεία: t2.in n2.in Υπολογισμός ηλεκτροστατικών και VdW κάθε 20 βήματα. Βαροστάτης για έλεγχο της πίεσης. Ενέργειες: Dispay Orthoraphic Στο τερματικό: pbc box center oriin Εργαστηριακή άσκηση 19 Εργαστηριακή άσκηση 20
Θερμοκρασία Δυναμική ενέργεια namd-temp < out2.o > t2 namd-enery < out2.o > e2 nupot nupot> pot t2 u 1:2 w nupot> exit nupot nupot> pot e2 u 1:2 w nupot> exit av 2 25001 50000 < t2 av 2 25001 50000 < e2 Εργαστηριακή άσκηση 21 Εργαστηριακή άσκηση 22 Πίεση Μέγεθος κουτιού προσομοίωσης namd-press < out2.o > p2 nupot nupot> pot p2 u 1:2 w nupot> exit namd-box < out2.xst > b2 0 32.485 30.612 28.842 1 32.485 30.612 28.842 2 32.515 30.6403 28.8687 3 32.515 30.6403 28.8687 4 32.5687 30.6909 28.9163 5 32.5687 30.6909 28.9163 av 2 25001 50000 < p2 Χρονικό βήμα x y z nupot nupot> pot b2 u 1:2 w, u 1:3 w, u 1:4 w nupot> exit av 2 25001 50000 < b2 av 3 25001 50000 < b2 av 4 25001 50000 < b2 Εργαστηριακή άσκηση 23 Εργαστηριακή άσκηση 24
Πυκνότητα Αφού βρήκαμε τις διαστάσεις του κουτιού μπορούμε να υπολογίσουμε την πυκνότητα : m V Η ολική μάζα του συστήματος έχει υπολογιστεί από το NAMD και είναι γραμμένη στο αρχείο out2.o ( TOTAL MASS). Πειραματικά δεδομένα: http://en.wikipedia.or/wiki/ethano_(data_pae) Ενθαλπία εξάτμισης Θερμοδυναμικός ορισμός H U PV Στην αέρια φάση Στην υγρή φάση H U PV H U PV Ενθαλπία εξάτμισης: H H H U U P( V V ) U PV vap Υπολογιστική μελέτη: U k T B Υπολογιστική μελέτη: Εργαστηριακή άσκηση 25 Εργαστηριακή άσκηση 26 Συνάρτηση ακτινικής κατανομής Συνάρτηση ακτινικής κατανομής Δείχνει πως μεταβάλλεται η αριθμητική πυκνότητα καθώς απομακρυνόμαστε από το άτομο. N V Οι κορυφές δείχνουν μια προτιμώμενη απόσταση για τους γείτονες ενός ατόμου. Έτσι η συνάρτηση ακτινικής κατανομής παρέχει λεπτομέρειες σχετικά με τη δομή του συστήματος. ( 1 N( ( V ( 1 N( 4 4 3 3 1 N( 4 3 1 N( 4 2 3 3 2 2 3 r r r 3r r 3rr r r r Εργαστηριακή άσκηση 27 Εργαστηριακή άσκηση 28
Συνάρτηση ακτινικής κατανομής vmd mo2.prmtop out2.dcd Extensions Anaysis Radia Pair Distribuon Funcon Υπολογιστική μελέτη Εργαστηριακή άσκηση 29