Olarak hesaplanabilir kimya , klasik su model simülasyonu için kullanılan su ve sulu çözeltiler (bir adlandırılan ile açık bir çözücü olan modellerde aksine, kapalı çözücüler ). Bu modeller genellikle moleküler mekaniğin yaklaşımlarını kullanır . Birçok ve farklı model önerilmiştir; modeli tanımlamak için kullanılan nokta sayısına (atomlar artı belirli alanlar), yapının sertliğine veya esnekliğine ve hatta polarizasyon etkileri hesaba katılarak sınıflandırılabilirler .
En basit su modelleri, su molekülünün sert olduğunu ve bağlayıcı olmayan etkileşimlere dayandığını düşünür . Elektrostatik etkileşim, Coulomb yasası ve bir Lennard-Jones potansiyeli kullanılarak dağılma ve itme kuvvetleri kullanılarak modellenmiştir .
Yüklü siteler atomlar üzerinde veya belirli yerlerde (bağlı olmayan çiftler gibi) olabilir. Lennard-Jones terimi tipik olarak sınırlı bir şekilde oksijen atomlarına uygulanır.
Aşağıdaki şekil 3 ila 6 saha su modellerinin genel şeklini göstermektedir. Kesin geometrik parametreler (OH bağının uzunluğu ve HOH açısının değeri) modele bağlı olarak değişir.
En basit model, su molekülünün üç atomuna karşılık gelen üç etkileşim bölgesini içerir. Her atoma bir nokta yükü atanır ve oksijen atomuna ayrıca Lennard-Jones parametreleri verilir. 3 bölgeli modeller, basitlikleri ve hesaplamalardaki verimlilikleri nedeniyle moleküler dinamik simülasyonları için yaygın olarak kullanılmaktadır . Çoğu model, bir su molekülünün geometrisini yeniden üreten katı bir geometri kullanır. Bir istisna, gözlenen 104,5 ° değerinin yerine ideal bir dört yüzlü açı (yani HOH açısı için 109,47 °) varsayan SPC modelidir.
Aşağıdaki tablo, bazı 3 sahalı modellerin parametrelerini listeler.
İPUÇLARI | SPC | TIP3P | SPC / E | |
---|---|---|---|---|
r (OH), Å | 0.9572 | 1.0 | 0.9572 | 1.0 |
HOH, derece | 104.52 | 109.47 | 104.52 | 109.47 |
A × 10 −3 , kcal Å 12 / mol | 580.0 | 629.4 | 582.0 | 629.4 |
B, kcal Å 6 / mol | 525.0 | 625.5 | 595.0 | 625.5 |
q (O) | 0,80 | −0,82 | 0,834 | 0,8476 |
q (H) | +0.40 | +0.41 | +0.417 | +0.4238 |
SPC / E modeli, potansiyel enerji fonksiyonuna ortalama bir polarizasyon düzeltmesi ekler:
μ, etkili bir şekilde polarize edilmiş su molekülünün dipol değeridir (SPC / E modeli için 2,35 D), μ 0 , izole edilmiş bir su molekülünün dipol değeridir (deneyden sonra 1,85 D d ') ve α i bir izotropiktir 1,608 × 10 −40 Fm değerindeki polarizabilite sabiti Modelin yükleri sabittir, bu düzeltme sadece toplam enerjide 1,25 kcal / mol (5, 22 kJ / mol) eklemeyi gerektirir. SPC / E modeli, SPC modelinden daha iyi bir yoğunluk ve daha iyi bir difüzyon sabiti verir.
Diğer modeller:
4 bölgeli modeller , HOH açısının açıortay'ı boyunca oksijene yakın yerleştirilmiş bir sahte atom (şekilde M ile gösterilir) üzerindeki negatif yükü bulur . Bu düzenleme, elektrostatik yükün su molekülü etrafındaki dağılımını iyileştirir. Bu yaklaşımı kullanan ilk model, 1933'te yayınlanan ve aynı zamanda ilk su modeli olan Bernal-Fowler modeliydi. Bununla birlikte, bu model, örneğin buharlaşma yoğunluğu ve enerjisi gibi suyun kütle özelliklerini doğru bir şekilde yeniden üretmez ve bu nedenle yalnızca tarihsel açıdan ilgi çekicidir. Bu, seçilen parametreleme yönteminin doğrudan bir sonucudur; o zamandan beri mevcut olan bilgisayar hesaplama tekniklerini kullanan daha yeni modeller, Monte Carlo tipi simülasyonlar veya moleküler dinamik simülasyonları kullanılarak parametrelendirildi ve bu parametreler, kütle özelliklerinin iyi bir yeniden üretimi elde edilene kadar ayarlandı.
İlk olarak 1983'te yayınlanan TIP4P modeli, hesaplamalı kimya kodlarında çok yaygın olarak uygulanmaktadır ve bazen biyomoleküler sistemlerin simülasyonları için kullanılmaktadır. TIP4P modelinin belirli kullanımlar için önemli onarımları olmuştur: Ewald toplama yöntemleriyle kullanım için TIP4P-Ew modeli ; TIP4P / Ice, katı su simülasyonları (buz) için; ve TIP4P / 2005, suyun faz diyagramının tam simülasyonu için genel bir parametrelendirme .
BF | İPUÇLARI2 | TIP4P | TIP4P-Ew | TIP4P / Buz | TIP4P / 2005 | |
---|---|---|---|---|---|---|
r (OH), Å | 0.96 | 0.9572 | 0.9572 | 0.9572 | 0.9572 | 0.9572 |
HOH, derece | 105.7 | 104.52 | 104.52 | 104.52 | 104.52 | 104.52 |
r (OM), Å | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.125 | 0.1577 | 0.1546 |
A × 10 −3 , kcal Å 12 / mol | 560.4 | 695.0 | 600.0 | 656.1 | 857.9 | 731.3 |
B, kcal Å 6 / mol | 837.0 | 600.0 | 610.0 | 653.5 | 850.5 | 736.0 |
q (M) | −0.98 | 1.07 | −1.04 | 1.04844 | 1,1794 | −1.1128 |
q (H) | +0.49 | +0,535 | +0.52 | +0.52422 | +0.5897 | +0.5564 |
Diğerleri:
5 bölgeli modeller , oksijen atomunun bağlanmayan çiftlerini temsil eden sahte atomlar üzerindeki negatif yükü ( L olarak gösterilir ) bulur . En eski modellerden biri, 1971'de önerilen Ben-Naim ve Stillinger'in BNS modeliydi ve bunu 1974'te Stillinger ve Rahman'ın ST2 modeli takip etti. Temelde yüksek hesaplama maliyetleri nedeniyle, beş bölgeli modeller yalnızca Mahoney ve Jorgensen'in TIP5P modelinin piyasaya sürüldüğü 2000'li yıllara kadar zayıf bir şekilde gelişti. Daha eski modellerle karşılaştırıldığında, TIP5P modeli, su dimerlerinin geometrisinde iyileştirmeler, yani nötron kırınımından elde edilen radyal dağılımların işlevlerini ve maksimum su yoğunluğunun sıcaklığını daha iyi yeniden üreten daha dört yüzlü bir yapı sağlar . TIP5P-E modeli, Ewald toplamlarının kullanımı için TIP5P modelinin yeniden değerlenmesidir.
BNS | ST2 | TIP5P | TIP5P-E | |
---|---|---|---|---|
r (OH), Å | 1.0 | 1.0 | 0.9572 | 0.9572 |
HOH, derece | 109.47 | 109.47 | 104.52 | 104.52 |
r (OL), Å | 1.0 | 0.8 | 0.70 | 0.70 |
LOL, derece | 109.47 | 109.47 | 109.47 | 109.47 |
A × 10 −3 , kcal Å 12 / mol | 77.4 | 238.7 | 544.5 | 590.3 |
B, kcal Å 6 / mol | 153.8 | 268.9 | 554.3 | 628.2 |
q (L) | 0.19562 | 0,2357 | −0.241 | −0.241 |
q (H) | +0.19562 | +0.2357 | +0.241 | +0.241 |
R L , Å | 2.0379 | 2.0160 | ||
R U , Å | 3.1877 | 3.1287 |
Bununla birlikte, BNS ve ST2 modellerinin elektrostatik terimler için doğrudan Coulomb yasasını değil, bir permütasyon fonksiyonu S (r) ile çarpılarak küçük mesafeler için zayıflatılan değiştirilmiş bir versiyonunu kullandığına dikkat edin :
Bu nedenle, R L ve R U parametreleri yalnızca BNS ve ST2 modelleri için geçerlidir.
Nada ve van der Eerden tarafından geliştirilen ve 4 ve 5 bölgeli modellerin tüm bölgelerini birleştiren en az bir 6 bölgeli modelin varlığına dikkat edin. Bu model, buzun yapısını ve karışımlarını (aslında katı su için birkaç tür faz vardır) diğer modellere göre daha iyi bir şekilde yeniden üretir.
Su simülasyonlarının sayısal maliyeti, kullanılan modelin etkileşim alanlarının sayısı ile artar. İşlemci süresi, hesaplanması gereken atomlar arası mesafelerin sayısıyla yaklaşık olarak orantılıdır. 3 bölgeli bir model için, her bir su molekülü çifti için 9 mesafeye ihtiyaç vardır (her bir atomdan diğerinin her bir atomuna). 4 lokasyonlu bir model için, 10 mesafe gereklidir (yüklenen her saha ile yüklenen her saha, artı OO etkileşimi). 5 bölgeli model için, 17 (4 × 4 + 1). son olarak 6 konumlu bir model için 26 mesafe gereklidir (5 × 5 + 1).
Katı su modelleri moleküler dinamikte kullanıldığında , stres algoritmalarının kullanımına karşılık gelen yapısal stresin korunmasına ilişkin ek bir maliyet vardır .