Newswise – دانشمندان محاسباتی در آزمایشگاه ملی Oak Ridge وزارت انرژی مطالعه ای را منتشر کرده اند مجله تئوری و محاسبات شیمی که یک عامل پذیرفته شده در شبیه سازی دینامیک مولکولی آب را زیر سوال می برد: گام زمانی 2 فمتوثانیه (یک کوادریلیوم ثانیه). فمتوثانیه مقیاس زمانی است که توسط دانشمندان برای اندازه گیری استفاده می شود خیلی سریع فرآیندهای اتم ها و مولکول ها
بر اساس یافته‌های این تیم، استفاده از هر چیزی بزرگتر از یک گام زمانی 0.5 فمتوثانیه – بازه زمانی که یک شبیه‌سازی کامپیوتری در آن تحلیل می‌شود – می‌تواند خطاهایی را هم در دینامیک و هم در ترمودینامیک هنگام شبیه‌سازی آب با استفاده از توصیف یک جسم جامد ایجاد کند.
از آنجایی که آب رایج‌ترین جزء شبیه‌سازی‌های بیومولکولی است – از مجموعه‌های پروتئینی گرفته تا اسیدهای نوکلئیک – توصیه این تیم برای یک مرحله زمانی 0.5 فمتوثانیه برای دقت بهتر ممکن است باعث ایجاد موج‌هایی در جامعه علمی شود. گام زمانی 2 فمتوثانیه به عنوان استاندارد در شبیه سازی آب برای تقریبا 50 سال پذیرفته شده است.
“این پیامدهای گسترده ای دارد زیرا آب ماده فعال زیست شناسی سلولی است. آب ماتریس حیات است و تمام شبیه سازی هایی که ما روی سیستم های بیولوژیکی انجام می دهیم همیشه در آب هستند. دیلیپ آستاگیری، دانشمند ارشد زیست پزشکی محاسباتی در گروه محاسبات پیشرفته برای علوم و مهندسی زندگی ORNL، می گوید: اما اگر آن سیال را به گونه ای شبیه سازی کنید که اصل اساسی مکانیک آماری تعادل را نقض کند، این یک مشکل است.
شبیه‌سازی‌های مولکولی معادلات حرکت نیوتن را حل می‌کنند تا چگونگی تکامل مولکول‌ها در طول زمان را روشن کنند. برای محققانی که چنین محاسباتی را انجام می دهند، توجه ویژه ای به تعیین دمای سیستم حاصل می باشد. یکی از اصول مکانیک آماری این است که اگر سیستمی در حالت تعادل باشد، دماهای مربوط به حرکت انتقالی (حرکت در امتداد یک خط) و حرکت چرخشی آن باید یکسان باشد. اگر این دو دما با هم تفاوت داشته باشند، شبیه سازی در حالت تعادل نیست. طبق یافته‌های این تیم، این مشکل اصلی استفاده از مراحل زمانی بیشتر از 0.5 فمتوثانیه برای شبیه‌سازی آب است.
استفاده از یک گام زمانی 2 فمتوثانیه در شبیه سازی از مقاله ای که در سال 1977 منتشر شد، نشات می گیرد، زمانی که زمان محاسبات از نظر محاسباتی بسیار گران تر بود. از آنجایی که پیوند منعطف بین اکسیژن و هیدروژن به سرعت ارتعاش می‌کند، مراحل زمانی مورد نیاز برای محاسبه دقیق این ارتعاش بسیار کوچک است و به زمان کامپیوتر بیشتری نیاز دارد تا فواصل کافی برای مطالعه ثبت شود. از آنجایی که این حرکت سریعترین است، این مرحله زمانی است که باید در تکامل برای به دست آوردن پاسخ صحیح استفاده شود. نویسندگان مقاله می‌خواستند بدانند اگر راهی برای استفاده از مراحل زمانی طولانی‌تر و اجازه دادن فواصل کمتر و شبیه‌سازی طولانی‌تر وجود داشته باشد، چه می‌شود؟ این محققان برای انجام این کار، توصیف بدن جامد از آب را پیشنهاد کردند.
آستاگیری می گوید: «مقاله 1977 اساساً می گوید که ارتعاشات پیوند اکسیژن-هیدروژن را می توان از انتقال و چرخش جدا کرد و بنابراین انجماد ارتعاشات با در نظر گرفتن آب به عنوان یک جامد باید به فرد اجازه دهد تا قدم بزرگی در زمان بردارد. از آن زمان، مدل محکم اتصال به استاندارد تبدیل شده است – روشی که دانشمندان به آن نگاه می کنند.
اما آستاگیری دریافت که استفاده از این روش می‌تواند باعث عدم تطابق دما بین حرکات انتقالی و چرخشی مولکول‌های آب شود، به این معنی که شبیه‌سازی می‌تواند نتایج نادرستی ایجاد کند.
“آنچه دیلیپ دریافت این است که در یک گام زمانی بسیار طولانی، شما تمایل به دریافت مقادیر نادرست برای ترمودینامیک و دینامیک حرکت آب دارید، که محیطی است که همه این مولکول ها در آن حرکت می کنند. در واقع، شما می توانید اصطکاک کاذب، خیلی بزرگ یا خیلی کوچک، به دلیل این تقریب گام زمانی بسیار طولانی داشته باشید. و اگر اصطکاک خاموش باشد، به این معنی است که حرکت آن مولکول ها نیز کاهش می یابد.”
آستاگیری اولین بار به عنوان استاد پژوهشی در دانشگاه رایس در سال 2021 به این اختلاف دما اشاره کرد. او و دانشجویی آب را در حالت فوق خنک شبیه سازی کردند و دریافتند که میانگین دمای ثبت پایین تر از دمای تنظیم شده است.
“این اختلاف 1 کلوین بود و شما به راحتی می توانید آن را نادیده بگیرید، اما به طور سیستماتیک در دماهای مختلف مشاهده می شود. و این سرنخ بود که چیزی اشتباه است – خوب، شاید یک دما، اما چندین دما با رفتار یکسان؟ آستاگیری گفت: حتماً مشکلی وجود دارد.
پس از پیوستن به ORNL در سال 2022، آستاگیری به جای استفاده از مختصات و سرعت های سایت، که مقادیر استانداردی هستند که کدهای شبیه سازی بیومولکولی تولید می کنند، شروع به مطالعه چرخش و ترجمه به طور جداگانه کرد. در ضمن، فرمول بندی معادلات این حرکات به صورت جداگانه رویکردی بود که توسط نویسندگان استفاده شد اولین مقاله نوشته شده در مورد شبیه سازی آب در سال 1971. این نویسندگان یک مرحله زمانی 0.4 فمتوثانیه را توصیه کردند.
ما باید به کار اصلی یعنی مراقب بودن برگردیم. آستاگیری گفت: انجام دادن سرعت اجسام ایرادی ندارد، اما اگر این کار را به عنوان سرعت جسم انجام می دهید، باید یک گام زمانی بردارید که به اندازه کافی کوچک باشد که دمای بین انتقال و چرخش به طور متوسط یکسان باشد.
دانشمندان کامپیوتر در صورت تمایل می‌توانند به راحتی این تغییر را به گام‌های زمانی 0.5 فمتوثانیه‌ای انجام دهند، اگرچه این امر همچنین به دلیل زمان‌های محاسباتی طولانی‌تر منجر به شبیه‌سازی کوتاه‌تر می‌شود.
“این فقط یک پرچم در اسکریپت ورودی است – 2 تا 0.5. این یک سوئیچ بسیار ساده است، اما اکنون مشکل این است که باید از زمان بیشتری برای رایانه استفاده کنید، همین. اما قدرت محاسباتی اکنون در دسترس است.
آستاگیری یافته های حاصل از مطالعه همکارانش در مرکز علم و نوآوری تلوراید و مجموعه کارگاه آنلاین ترمودینامیک آماری و شبیه سازی مولکولی را ارائه کرد.
زمانی که این کار را در یک سری کارگاه های آنلاین آماری ترمودینامیک ارائه کردم، اولین واکنش کمی شوکه کننده بود. آستاگیری گفت: غرق شدن به زمان نیاز دارد.
آستاگیری خواهد نتایج را در کارگاه دیگری ارائه کرد توسط Beck برای مرکز اروپای حساب اتمی و مولکول در 6-8 مه در پیزا، ایتالیا برگزار شد.
UT-Battelle ORNL را برای دفتر علوم DOE، بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده، مدیریت می کند. دفتر علوم DOE برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید Energy.gov/science.