Las partículas Drude son modelos de osciladores que se utilizan para simular los efectos de la polarización electrónica en el contexto de un campo de fuerza de la mecánica molecular clásica . Están inspirados en el modelo Drude de electrones móviles y se utilizan en el estudio computacional de proteínas , ácidos nucleicos y otras biomoléculas .
Oscilador Drude clásico
La mayoría de los campos de fuerza en la práctica actual representan átomos individuales como partículas puntuales que interactúan de acuerdo con las leyes de la mecánica newtoniana . A cada átomo se le asigna una única carga eléctrica que no cambia durante el transcurso de la simulación. Sin embargo, tales modelos no pueden tener dipolos inducidos u otros efectos electrónicos debido a un entorno local cambiante.
Las partículas clásicas de Drude son sitios virtuales sin masa que llevan una carga eléctrica parcial, unida a átomos individuales a través de un resorte armónico . La constante de resorte y las cargas parciales relativas del átomo y la partícula Drude asociada determinan su respuesta al campo electrostático local , sirviendo como proxy [1] para la distribución cambiante de la carga electrónica del átomo o molécula. Sin embargo, esta respuesta se limita a un momento dipolar cambiante. Esta respuesta no es suficiente para modelar interacciones en entornos con grandes gradientes de campo , que interactúan con momentos de orden superior.
Eficiencia de la simulación
El mayor costo computacional de la simulación de osciladores Drude clásicos es el cálculo del campo electrostático local y el reposicionamiento de la partícula Drude en cada paso. Tradicionalmente, este reposicionamiento se realiza de forma autoconsistente . Este costo se puede reducir asignando una pequeña masa a cada partícula de Drude, aplicando una transformación lagrangiana [2] y evolucionando la simulación en las coordenadas generalizadas. Este método de simulación se ha utilizado para crear modelos de agua que incorporan osciladores Drude clásicos. [3] [4]
Oscilador Quantum Drude
Dado que la respuesta de un oscilador Drude clásico es limitada, no es suficiente modelar interacciones en medios heterogéneos con grandes gradientes de campo, donde las respuestas electrónicas de orden superior tienen contribuciones significativas a la energía de interacción. [ cita requerida ] Un oscilador cuántico Drude (QDO) [5] [6] [7] es una extensión natural del oscilador Drude clásico. En lugar de una partícula puntual clásica que sirve como proxy para la distribución de carga, un QDO usa un oscilador armónico cuántico , en forma de un pseudoelectrón conectado a un pseudonúcleo de carga opuesta por un resorte armónico.
Un QDO tiene tres parámetros libres: la frecuencia del resorte , la carga del pseudoelectrón y la masa reducida del sistema . El estado fundamental de un QDO es un gaussiano de ancho. Agregar un campo externo perturba el estado fundamental de un QDO, lo que nos permite calcular su polarizabilidad . [5] De segundo orden, el cambio de energía en relación con el estado fundamental viene dado por la siguiente serie:
donde las polarizabilidades están
Además, dado que los QDO son objetos de la mecánica cuántica, sus electrones pueden correlacionarse , dando lugar a fuerzas de dispersión entre ellos. El cambio de segundo orden en la energía correspondiente a tal interacción es:
siendo los tres primeros coeficientes de dispersión (en el caso de QDO idénticos):
Dado que los coeficientes de respuesta de las QDO dependen únicamente de tres parámetros, todos están relacionados. Por lo tanto, estos coeficientes de respuesta se pueden combinar en cuatro constantes adimensionales, todas iguales a la unidad:
La representación QDO de átomos es la base del modelo de dispersión de muchos cuerpos [8], que es una forma popular de explicar las fuerzas electrostáticas en simulaciones de dinámica molecular. [9]
Referencias
- ^ Mackerell, Alexander D. (2004). "Campos de fuerza empíricos para macromoléculas biológicas: descripción general y problemas". Revista de Química Computacional . Wiley. 25 (13): 1584–1604. doi : 10.1002 / jcc.20082 . ISSN 0192-8651 . PMID 15264253 .
- ^ Lamoureux, Guillaume; Roux, Benoı̂t (8 de agosto de 2003). "Modelado de polarización inducida con osciladores Drude clásicos: algoritmo de simulación de teoría y dinámica molecular". La Revista de Física Química . Publicación AIP. 119 (6): 3025-3039. doi : 10.1063 / 1.1589749 . ISSN 0021-9606 .
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- ^ http://www.fhi-berlin.mpg.de/~tkatchen/MBD/
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