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Silvana TapiaJuan Carlos GilFrancis VillatoroHéctor SocasBorja Tosarsimulaciones ordenador diagrama fases aguaexploraciones polares amundsen y scottmateria condensada simulacion por ordenadorpotencial de interacción molecularsimulaciones ordenador moléculasinteracción coulomb cargasmodelo leonard jonesenergía potencial configuración molecularsimulación del agua como universo digitalátomos y moléculas siguiendo potencialesfuerzas que marcan los potencialespropiedades estructurales y termodinámicas simuladastécnicas de física estadística aplicadasinteracciones de CoulombLeonard JonesVan der WaalsJuan Carlos GilCarrParrinelloDinámica Molecular AvinicioNaturalezaST2TPMDDFTFETENAmundsenScottAlderWeimrechtsegunda ley de NewtonHéctor SocasMarkovMetrópolisMonte Carlosiglo XXteoría del funcional de la densidad DFTAIMD
Simulaciones ordenador moléculas
Con
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Juan Carlos Gil explica cómo las simulaciones por ordenador imitan el comportamiento de las moléculas al definir un potencial de interacción que asigna energía a cada configuración molecular.
…se emplean celdas de yunque de diamante. Tanto en su versión estática como una razonablemente reciente, es una celda dinámica que es capaz de comprimir a lo bestia lo que le pongas ahí en microsegundos y está muy bien para estudiar cinéticas rápidas. Pero La herramienta que nos permite convertirnos en los Amundsen y Scott, exploradores del hielo, del hielo en particular y el diagrama de fases del agua en general, bueno pues es la simulación, la simulación por ordenador, que os quiero contar muy rápidamente cómo va esto de la simulación de materia condensada. La idea central es que si conocemos cómo interactúan las moléculas entre sí, podemos hacer que un ordenador pues imite su comportamiento. En la práctica esto requiere definir un potencial de interacción, una función que asigna una energía potencial a cada configuración de las moléculas, Energía que luego ya se intercambiará con cinética u otros grados de libertad, si hay vibración, etc. pues cuando las moléculas se menean Así la simulación explora el paisaje energético del modelo de potencial que estemos considerando En modelos clásicos estos potenciales son bastante simples describen solamente interacciones por pares entre centros de carga o átomos individuales. Estoy hablando de interacción de Coulomb entre cargas, esferas duras, era un modelo que se ha utilizado muchísimo, bolas de billar, Leonard Jones, que es un potencial suave con una repulsión y una atracción por Van der Waals, aunque obviamente la Naturaleza es mucho más compleja que estas esferas duras, ya existen interacciones de múltiples cuerpos, polarización y efectos cuánticos en general. Así que lo que hacemos con la simulación es construir una suerte de universo digital, si queréis, donde los átomos y las moléculas se mueven, chocan y se reorganizan siguiendo las fuerzas estas que marcan los potenciales y a partir de las posiciones y velocidades que vamos obteniendo, pues podemos deducir las propiedades estructurales y termodinámicas de la sustancia simulada pues aplicando técnicas de física estadística. Pero, y esto es lo importante, para que este universo Digital se parezca a nuestros cacharritos en el laboratorio, a la naturaleza real, pues es necesario parametrizar el potencial. Es decir, hay que ajustar sus parámetros: el tamaño de la bola, la profundidad del pozo de potencial para reproducir propiedades…
Significado #1 · Palabras #4
Juan Carlos Gil explica cómo las simulaciones por ordenador imitan el comportamiento de las moléculas al definir un potencial de interacción que asigna energía a cada configuración molecular.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #1 · Palabras #4simulaciones ordenador diagrama fases aguaexploraciones polares amundsen y scottmateria condensada simulacion por ordenadorpotencial de interacción molecularsimulaciones ordenador moléculasinteracción coulomb cargasmodelo leonard jonesenergía potencial configuración molecularsimulación del agua como universo digitalátomos y moléculas siguiendo potencialesfuerzas que marcan los potencialespropiedades estructurales y termodinámicas simuladastécnicas de física estadística aplicadas…se emplean celdas de yunque de diamante. Tanto en su versión estática como una razonablemente reciente, es una celda dinámica que es capaz de comprimir a lo bestia lo que le pongas ahí en microsegundos y está muy bien para estudiar cinéticas rápidas. Pero La herramienta que nos permite convertirnos en los Amundsen y Scott, exploradores del hielo, del hielo en particular y el diagrama de fases del agua en general, bueno pues es la simulación, la simulación por ordenador, que os quiero contar muy rápidamente cómo va esto de la simulación de materia condensada. La idea central es que si conocemos cómo interactúan las moléculas entre sí, podemos hacer que un ordenador pues imite su comportamiento. En la práctica esto requiere definir un potencial de interacción, una función que asigna una energía potencial a cada configuración de las moléculas, Energía que luego ya se intercambiará con cinética u otros grados de libertad, si hay vibración, etc. pues cuando las moléculas se menean Así la simulación explora el paisaje energético del modelo de potencial que estemos considerando En modelos clásicos estos potenciales son bastante simples describen solamente interacciones por pares entre centros de carga o átomos individuales. Estoy hablando de interacción de Coulomb entre cargas, esferas duras, era un modelo que se ha utilizado muchísimo, bolas de billar, Leonard Jones, que es un potencial suave con una repulsión y una atracción por Van der Waals, aunque obviamente la Naturaleza es mucho más compleja que estas esferas duras, ya existen interacciones de múltiples cuerpos, polarización y efectos cuánticos en general. Así que lo que hacemos con la simulación es construir una suerte de universo digital, si queréis, donde los átomos y las moléculas se mueven, chocan y se reorganizan siguiendo las fuerzas estas que marcan los potenciales y a partir de las posiciones y velocidades que vamos obteniendo, pues podemos deducir las propiedades estructurales y termodinámicas de la sustancia simulada pues aplicando técnicas de física estadística. Pero, y esto es lo importante, para que este universo Digital se parezca a nuestros cacharritos en el laboratorio, a la naturaleza real, pues es necesario parametrizar el potencial. Es decir, hay que ajustar sus parámetros: el tamaño de la bola, la profundidad del pozo de potencial para reproducir propiedades…
Juan Carlos Gil explica el origen y la naturaleza de dos grandes corrientes en la simulación de materia condensada: Monte Carlo y dinámica molecular. Menciona a Markov y al algoritmo de Metrópolis como figuras clave en el desarrollo de la técnica de Monte Carlo.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #15monte carlo y simulación materia condensadaalgoritmo metrópolis en 1953ideas de markov en monte carlo…bola, la profundidad del pozo de potencial para reproducir propiedades experimentales de la sustancia de interés como la densidad, el punto de ebullición o el calor de vaporización, que ha sido una magnitud que se ha utilizado clásicamente muchísimas veces. Bueno, pues eso sería la simulación de forma abstracta, pero a partir de ahí surgen dos grandes corrientes en cuanto a la simulación de materia condensada, Monte Carlo y dinámica molecular La técnica de Monte Carlo nace con las ideas de Markov a principios del siglo XX y se formalizó en 1953 con el famoso, para los que lo conocemos, algoritmo de Metrópolis En Mortecarlo no se simula el movimiento real de las partículas, sino que se explora el espacio De fases del modelo que estemos considerando mediante movimientos aleatorios, es gracioso, de ahí el nombre, de las partículas. Se mueve una partícula al azar y entonces ese movimiento se acepta o no se acepta con una propiedad dada por el factor de Boltzmann…
Juan Carlos Gil explica cómo funciona la dinámica molecular en pocas frases y luego introduce un avance significativo realizado en 1985 por Carr y Parrinello.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #9 · Palabras #1simulación dinámica molecular alder weimrechtfuerzas derivadas potencial newtonmovimiento real de las partículassegunda ley de newton aceleracionesdinámica molecular en simulaciones carr parrinnellosimulaciones de dinámica molecular aviniciomecanica cuántica y dinámica moleculardinámica molecular avinicio aimdfidelidad cuántica en materia condensadacoste computacional simulación monte carlo…hemos inspirado, ¿verdad Héctor? En el resumen gráfico, en el abstract gráfico del paper, que es muy chulo. Bueno, tú te has inspirado en eso, yo me inspiré en ti, directamente pregunté: Juan Carlos, no tengo ni idea de qué hacer para la portada, ¿qué hago? Y ahí me diste esa idea. Vale, pues en mi larga introducción se había contado las rarezas del agua y que las solemos estudiar por simulación; que había dos formas: Monte Carlo y dinámica molecular, y me quedo en Monte Carlo. La dinámica molecular surge en 1957 con los trabajos pioneros de Alder y Weimrecht. A diferencia del Monte Carlo, esto es la clave de las dos técnicas: en dinámica molecular sí se sigue el movimiento real de las partículas. Primero se calculan las fuerzas derivadas del potencial que estamos considerando; lo conté también durante un ratito, se aplica la segunda ley de Newton para obtener las aceleraciones y se integran las ecuaciones del movimiento con esas aceleraciones con un paso de tiempo pequeñito para ir actualizando posiciones, vibraciones, etcétera, velocidades de todas las partículas. Eso es la dinámica molecular en ocho frases. Bueno, pues en 1985, han pasado 40 años desde las primeras simulaciones de dinámica molecular, Carr y Parrinello dieron un salto enorme a esto de la simulación por ordenador al unir la dinámica molecular con la mecánica cuántica. Crearon lo que se llama Dinámica Molecular Avinicio, A-I. -M-D, donde las fuerzas ya no vienen de un potencial artificial que hay que parametrizar, sino de resolver cuánticamente las nubes de electrones del sistema en cada paso de la simulación En particular, el método este de Cariparrinello usa la teoría del funcional de la densidad DFT, que es uno de los culpables habituales en teoría cuántica Con AIMD podemos, por tanto, simular la materia condensada con fidelidad cuántica, si se quiere, pero con un coste computacional desorbitado Entre mil y cien mil veces más que una simulación equivalente por Monte Carlo o por dinámica molecular Yo empecé la tesis en 1987 y por supuesto en mi grupo conocimos rápidamente los trabajos de Carr y Parrinello Pero su técnica estaba total, absoluta y demencialmente fuera de nuestro alcance En mi tesis hice Monte Carlo de polielectrolitos e iones con unas 500…
Juan Carlos Gil introduce el tema de los modelos de agua utilizados en simulaciones, como continuación a su explicación sobre dinámica molecular y simulación.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #7tpmd combina precisión cuántica velocidadaprendizaje activo refina método simulaciónred profunda calcula potencial partículadft feten optimiza configuraciones simulaciónmodelos de agua st2 simulaciónmolécula de agua rígida jonescargas tetraédricas en modelos agua…mostraron que podemos entrenar una red neuronal profunda para imitar la superficie de energía real cuántica dada por la DFT en lugar de tener que calcular la DFT completa en cada paso de la simulación. Vamos, yo me quedé de piedra, ultra ingenioso, así nace. La dinámica molecular con potencial profundo, TPMD, que combina las mejores cosas de ambos mundos: la precisión cuántica por una parte y la velocidad de la dinámica molecular clásica. Solo tienes que consultar la red profunda en cada paso de la simulación para que te dé el potencial en una partícula. Luego, en trabajos posteriores, refinaron el método con lo que llaman aprendizaje activo. El propio sistema durante la simulación, si se da cuenta, haciendo una serie de chequeos, que el potencial profundo que conoce empieza a no representar de forma óptima las configuraciones que le van saliendo en la simulación pues puede calcular esas configuraciones por un DFT chulo, FETEN, e incorporar esos nuevos valores al reentrenar la red e incorporarlo para seguir haciendo la simulación con un potencial refinado. Vale, os he hablado de agua por un poquito y también de simulación, pero todavía necesito introducir otra cosita antes de pasar al artículo, mezclando agua y simulación. ¿Qué modelos de agua se han utilizado para la simulación? Pues el primer modelo moderno se llama ST2 de 1974, una molécula de agua rígida con un centro Leonard Jones y cuatro cargas en disposición tetraédrica; es bastante natural para reproducir la tendencia tetraédrica de las moléculas de agua. En los años 80 llega el modelo SPC, Simple Point Charge, y su variante SPCE, que son muy sencillos, muy simples, muy robustos y todavía a día de hoy se siguen utilizando sobre todo para la envolvente acuosa de macromoléculas, en biología molecular y demás. En…