Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 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 Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 2 Σύστημα υπό μελέτη Αιθανόλη Αντίστοιχη υπολογιστική μελέτη: Structure and Dynamics of Liquid Ethano J. Phys. Chem. B 997, 0, 78 86. Προσομοίωση Μοριακής Δυναμικής σε: Αέρια φάση Υγρή φάση Πεδίο δυνάμεων GAFF Deveopment and testin of a enera Amber force fied J. Comput. Chem. 25: 57 74, 2004. bonds k ( 2 b 0 ) anes 2 k a 0 Vn cosn dihedras n 2 Παραμόρφωση δεσμών Κάμψη γωνιών Περιστροφή γύρω από δεσμό Ιδιότητες σε θερμοκρασία δωματίου: Πυκνότητα Ενθαλπία εξάτμισης Προτιμητέες διαμορφώσεις Συνάρτηση ακτινικής κατανομής Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 3 atompairs A r 2 B r 6 Αλληλεπιδράσεις VdW Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 4 atompairs qiq j 4 0 r Ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις μερικά ατομικά φορτία
Απαραίτητα αρχεία Απαραίτητα αρχεία: Το μόριο της αιθανόλης (ethano.mo2) Αρχεία προετοιμασίας (t.in, t2.in) Αρχεία εισόδου για το NAMD (n.in, n2.in, box.xsc) Οπτικοποίηση του μορίου vmd ethano.mo2 Διαθέσιμα από την ιστοσελίδα: http://pc64.materias.uoi.r/dpapaeo/courses/e/ Βασικές ενέργειες: Dispay Orthoraphic Graphics Represantations Drawin Method CPK Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 5 Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 6 Η διαδικασία σχηματικά Μόριο αιθανόλης ethano.mo2 Πρόγραμμα προετοιμασίας teap Αρχείο εντολών t.in Αρχείο δομής και παραμέτρων mo.prmtop Αρχείο συντεταγμένων mo.inpcrd Μέγεθος κουτιού προσομοίωσης box.xsc Μέγεθος κουτιού out.xst Τελευταίο στιγμιότυπο out.coor, out.ve Αρχείο τροχιάς out.dcd Αρχείο καταγραφής out.o Πρόγραμμα προσομοίωσης namd2 Αρχείο εντολών n.in Προσομοίωση στην αέρια φάση Προετοιμασία των αρχείων εισόδου για το NAMD: teap f t.in eap.o mo.prmtop αρχείο δομής και παραμέτρων mo.inpcrd αρχείο συντεταγμένων Διεξαγωγή της προσομοίωσης: namd2 n.in tee out.o out.o out.dcd αρχείο τροχιάς οut.coor συντεταγμένες τελευταίου βήματος οut.ve ταχύτητες τελευταίου βήματος Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 7 Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 8
Οπτικοποίηση της τροχιάς Επιθεώρηση των αρχείων Αρχείο δομής και παραμέτρων vmd mo.prmtop out.dcd Αρχείο τροχιάς Ενεργοποιούμε τον Text Editor Ανοίγουμε (Open) τα αρχεία: ethano.mo2 t.in mo.prmtop mo.inpcrd n.in out.o Βασικές ενέργειες: Dispay Orthoraphic Graphics Represantations Drawin Method CPK Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 9 Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 0 Εξαγωγή αποτελεσμάτων από το με το Gnupot Μόλις τελειώσει η προσομοίωση μπορούμε να εξάγουμε αριθμητικά αποτελέσματα από το out.o namd-temp < out.o > t Αρχείο στο οποίο θα γραφεί η θερμοκρασία nupot nupot> pot t u :2 w Αρχείο καταγραφής 0 66.6892 598.9785 2 549.8445 3 480.4587 4 407.7829 5 35.7059 6 39.03 7 36.6098 8 340.9789 9 379.9655 t Αρχείο με δεδομένα u :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 Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 2
θερμοκρασίας Δυναμική ενέργεια av 2 2500 50000 < t namd-enery < out.o > e 2 Στήλη 2500 Η άθροιση ξεκινά από αυτή τη γραμμή 50000 Η άθροιση τελειώνει σε αυτή τη γραμμή t Αρχείο εισόδου Αποτέλεσμα στην οθόνη: Number of data: 25000 Averae: 300.02623594499897 nupot nupot> pot e u :2 w nupot> exit av 2 2500 50000 < e Η μέση τιμή της ενέργειας θα μας χρειαστεί αργότερα. Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 3 Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 4 Προτιμητέες διαμορφώσεις vmd mo.prmtop out.dcd 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 nupot> pot 'a nupot> binwidth=5 nupot> bin(x,width)=width*foor(x/width) nupot> pot 'a' usin (bin($2,binwidth)):(.0) smooth freq with boxes Προσομοίωση στην υγρή φάση Προετοιμασία των αρχείων εισόδου για το NAMD: teap f t2.in Αποτέλεσμα: Soute vdw boundin box: 6.57 4.909 4.73 Tota boundin box for atom centers: 34.57 32.909 32.73 Sovent unit box: 6.57 4.909 4.73 Tota vdw box size: 26.068 34.363 33.7 anstroms. Voume: 29665.370 A^3 Tota mass 8983.260 amu, Density 0.503 /cc Μέγεθος κουτιού προσομοίωσης eap.o mo2.prmtop αρχείο δομής και παραμέτρων mo2.inpcrd αρχείο συντεταγμένων Χρειαζόμαστε ως επιπλέον είσοδο στο NAMD, αρχείο με το μέγεθος του κουτιού της προσομοίωσης (box.xsc) Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 5 Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 6
Προσομοίωση στην υγρή φάση Διεξαγωγή της προσομοίωσης: namd2 n2.in tee out2.o Χρονοβόρο out2.o out2.dcd αρχείο τροχιάς οut2.xst μέγεθος κουτιού οut2.coor συντεταγμένες τελευταίου βήματος οut2.ve ταχύτητες τελευταίου βήματος Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 7 Επιθεώρηση των αρχείων Ενεργοποιούμε τον Text Editor Ανοίγουμε (Open) τα αρχεία: t2.in n2.in Διαφορές του n2.in από το n.in Όνομα αρχείων εξόδου: οut2 Γράφουμε την τροχιά κάθε 0 βήματα. Γράφουμε τις διαστάσεις του κουτιού σε κάθε βήμα. Περιοδικό σύστημα, ορίζουμε κουτί. Περιοδικό σύστημα, άθροιση ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων (Ewad). Υπολογισμός ηλεκτροστατικών και VdW κάθε 20 βήματα. Βαροστάτης για έλεγχο της πίεσης. Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 8 Οπτικοποίηση αποτελεσμάτων (vmd) Θερμοκρασία vmd mo2.prmtop out2.dcd Αρχείο τροχιάς namd-temp < out2.o > t2 Αρχείο δομής και παραμέτρων nupot nupot> pot t2 u :2 w nupot> exit av 2 2500 50000 < t2 Ενέργειες: Dispay Orthoraphic Στο τερματικό: pbc box center oriin Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 9 Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 20
Δυναμική ενέργεια Πίεση namd-enery < out2.o > e2 namd-press < out2.o > p2 nupot nupot> pot e2 u :2 w nupot> exit nupot nupot> pot p2 u :2 w nupot> exit av 2 2500 50000 < e2 av 2 2500 50000 < p2 Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 2 Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 22 Μέγεθος κουτιού προσομοίωσης Πυκνότητα namd-box < out2.xst > b2 0 32.485 30.62 28.842 32.485 30.62 28.842 2 32.55 30.6403 28.8687 3 32.55 30.6403 28.8687 4 32.5687 30.6909 28.963 5 32.5687 30.6909 28.963 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). Χρονικό βήμα x y nupot nupot> pot b2 u :2 w, u :3 w, u :4 w nupot> exit z Πειραματικά δεδομένα: http://en.wikipedia.or/wiki/ethano_(data_pae) Υπολογιστική μελέτη: av 2 2500 50000 < b2 av 3 2500 50000 < b2 av 4 2500 50000 < b2 Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 23 Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 24
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 Συνάρτηση ακτινικής κατανομής Δείχνει πως μεταβάλλεται η αριθμητική πυκνότητα καθώς απομακρυνόμαστε από το άτομο. ( N( ( V ( 4 3 N( 4 3 4 3 N( N V N( 2 3 3 2 2 3 r r r 3r r 3rr r 4r r Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 25 Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 26 Συνάρτηση ακτινικής κατανομής 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. vmd mo2.prmtop out2.dcd Extensions Anaysis Radia Pair Distribuon Funcon Υπολογιστική μελέτη Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 27 Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Προηγμένα Υλικά» Κλασσική ατομιστική προσομοίωση 28