Mô hình phân tử bao gồm tất cả các phương pháp, lý thuyết và tính toán, được sử dụng để mô hình hoặc bắt chước hành vi của các phân tử. Các phương pháp được sử dụng trong các lĩnh vực hóa học tính toán, thiết kế ma túy, sinh học tính toán và khoa học vật liệu để nghiên cứu các hệ phân tử từ các hệ thống hoá học nhỏ đến các phân tử sinh học lớn và các bộ phận vật liệu. Các tính toán đơn giản nhất có thể được thực hiện bằng tay, nhưng chắc chắn máy tính được yêu cầu thực hiện mô hình phân tử của bất kỳ hệ thống có kích thước hợp lý. Tính năng chung của các phương pháp mô hình hóa phân tử là mô tả mức atomistic của các hệ phân tử. Điều này có thể bao gồm các nguyên tử xử lý như một đơn vị nhỏ nhất (phương pháp cơ học phân tử), hoặc mô hình hoá các electron một cách rõ ràng của mỗi nguyên tử (cách tiếp cận hóa học lượng tử).
Cơ học phân tử
Cơ học phân tử là một khía cạnh của mô hình phân tử, vì nó đề cập đến việc sử dụng cơ học cổ điển (cơ học Newton) để mô tả cơ sở vật lý đằng sau mô hình. Các mô hình phân tử thường mô tả các nguyên tử (hạt nhân và điện tử) như là các điểm với một khối liên quan. Các tương tác giữa các nguyên tử lân cận được mô tả bởi các tương tác giống như mùa xuân (đại diện cho liên kết hóa học) và lực Van der Waals.
Tiềm năng Lennard-Jones thường được sử dụng để mô tả thứ hai. Các tương tác tĩnh điện được tính dựa trên luật Coulomb. Các nguyên tử được gán tọa độ trong không gian Cartesian hoặc trong các tọa độ bên trong, và cũng có thể được gán các vận tốc trong mô phỏng động. Vận tốc nguyên tử có liên quan đến nhiệt độ của hệ thống, một lượng vĩ mô. Biểu thức toán học tập thể được gọi là hàm tiềm năng và có liên quan đến hệ số năng lượng nội tại (U), một lượng nhiệt động lực bằng tổng của các năng lượng tiềm năng và động lực. Các phương pháp giảm thiểu năng lượng tiềm năng được gọi là các phương pháp giảm thiểu năng lượng (ví dụ, độ dốc và gradient liên hợp), trong khi các phương pháp mô hình hành vi của hệ thống với sự lan truyền của thời gian được gọi là động lực học phân tử.
Chức năng này, được gọi là một chức năng tiềm năng, tính toán năng lượng tiềm năng phân tử như là một tổng hợp các thuật ngữ về năng lượng mô tả sự sai lệch của độ dài liên kết, góc trái phiếu và góc xoắn ra khỏi các giá trị cân bằng cộng thêm các thuật ngữ cho các cặp nguyên tử không liên kết mô tả van der Waals và tương tác tĩnh điện. Tập hợp các thông số bao gồm độ dài liên kết cân bằng, góc trái phiếu, giá trị điện tích từng phần, hằng số lực và các tham số van der Waals được gọi chung là trường lực. Việc thực hiện khác nhau của cơ học phân tử sử dụng các biểu thức toán học khác nhau và các tham số khác nhau cho chức năng tiềm năng.
Lực lực chung được sử dụng ngày nay đã được phát triển bằng cách sử dụng tính toán lượng tử cấp cao và / hoặc phù hợp với dữ liệu thực nghiệm. Phương pháp, gọi là giảm thiểu năng lượng, được sử dụng để tìm các vị trí của gradient không cho tất cả các nguyên tử, nói cách khác, một năng lượng địa phương tối thiểu. Các trạng thái năng lượng thấp hơn ổn định hơn và thường được điều tra vì vai trò của chúng trong các quá trình hóa học và sinh học. Mặt khác, mô phỏng động lực học phân tử tính toán hành vi của một hệ thống theo chức năng của thời gian.
Nó liên quan đến việc giải quyết các luật chuyển động của Newton, chủ yếu là luật thứ hai, {\ displaystyle \ mathbf {F} = m \ mathbf {a}} {\ mathbf {F}} = m {\ mathbf {a}}. Tích hợp các định luật chuyển động của Newton, sử dụng các thuật toán tích hợp khác nhau, dẫn đến quỹ đạo nguyên tử trong không gian và thời gian. Lực trên một nguyên tử được định nghĩa là gradient âm của hàm năng lượng tiềm năng. Phương pháp giảm thiểu năng lượng hữu ích để có được một bức tranh tĩnh để so sánh giữa các trạng thái của các hệ thống tương tự, trong khi động lực học phân tử cung cấp thông tin về các quá trình năng động với việc tích hợp các ảnh hưởng nhiệt độ.