Atomistyczny model wody

Podobne dokumenty
- parametry geometryczne badanego związku: współrzędne i typy atomów, ich masy, ładunki, prędkości początkowe itp. (w NAMD plik.

Problemy i rozwiązania

SYMULACJA DYNAMIKI MOLEKULARNEJ

Ćwiczenie 5. Wyznaczanie widm IR i Ramana formaldehydu oraz obliczenia za pomocą pakietu Gaussian 03W

Badanie zależności położenia cząstki od czasu w ruchu wzdłuż osi Ox

Rozdział 4: PIERWSZE KROKI

trainxx tramxx

Instrukcja realizacji ćwiczenia

Praca i energia Mechanika: praca i energia, zasada zachowania energii; GLX plik: work energy

Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Informatyki

Aplikacje WWW - laboratorium

Zastosowanie zmiennej globalnej do sterowania animacją interaktywną. Flash MX 2004

Analiza strukturalna materiałów Ćwiczenie 1

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi funkcjami i pojęciami związanymi ze środowiskiem AutoCAD 2012 w polskiej wersji językowej.

Symulacja działania sterownika dla robota dwuosiowego typu SCARA w środowisku Matlab/Simulink.

Finanse VULCAN. Jak wprowadzić fakturę sprzedaży?

Laboratorium - Narzędzia linii uruchamiania w systemie Windows 7

Laboratorium - Narzędzie linii uruchamiania w systemie Windows Vista

MentorGraphics ModelSim

FINCH PONG. Realizator: Partner: Patronat:

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Gorzowie Wlkp. Laboratorium architektury komputerów

Systemy Ochrony Powietrza Ćwiczenia Laboratoryjne

TURNINGPOINT KROKI DO URUCHOMIENIA TESTU NA PC

KLASYCZNA DYNAMIKA MOLEKULARNA

Przykład rozwiązywania problemu w programie DSS1OPT

Laboratorium - Narzędzia linii uruchamiania w systemie Windows XP

Cel ćwiczenia: Nabycie umiejętności poruszania się w przestrzeni programu Kuka.Sim Pro oraz zapoznanie się z biblioteką gotowych modeli programu.

Symulacja grafenu na powierzchni miedzi. w pakiecie oprogramowania LAMMPS

Zadanie 2. Tworzenie i zarządzanie niestandardową konsolą MMC

INSTRUKCJA UŻYTKOWNIKA PORTALU SIDGG

Recenzja rozprawy doktorskiej mgr. Tomasza Makarewicza, pt.

Geofabrik.

Zadanie ChemCad - Batch Reaktor

Bramki logiczne Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych

Laboratorium z Grafiki InŜynierskiej CAD. Rozpoczęcie pracy z AutoCAD-em. Uruchomienie programu

PCPR. Konfigurator programu.

Spora część kodu programu jest dla nas nieprzydatna. Dokonaj zmian tak, aby kod miał postać:

WOJEWÓDZTWO PODKARPACKIE

Dokąd on zmierza? Przemieszczenie i prędkość jako wektory

ACCESS ćwiczenia (zestaw 1)

Oprogramowanie Turning Point 5. Tryb AnyWhere (Test AnyWhere) Oprogramowanie Turning Point 5 Tryb AnyWhere Agraf Sp. z o.o. Nowe Sady 2, Łódź

17.1 Podstawy metod symulacji komputerowych dla klasycznych układów wielu cząstek

Załącznik nr 8. do Studium Wykonalności projektu Sieć Szerokopasmowa Polski Wschodniej województwo podkarpackie

Laboratorium - Menedżer zadań (zarządzanie procesami) w Windows 7

Raytracer. Seminaria. Hotline. początkujący zaawansowani na miejscu

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z metody elementów skończonych w programie ADINA

Efekt Halla. Cel ćwiczenia. Wstęp. Celem ćwiczenia jest zbadanie efektu Halla. Siła Loretza

Badanie ruchu złożenia

Opis programu Konwersja MPF Spis treści

Jak przygotować pliki gotowe do publikacji w sieci za pomocą DigitLabu?

Ćwiczenie 0 : Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania sygnałów. wyświetla listę tematów pomocy. wyświetla okno pomocy (Help / Product Help)

dr inż. Cezary Żrodowski Wizualizacja Informacji WETI PG, sem. V, 2015/16

Program MC. Obliczyć radialną funkcję korelacji. Zrobić jej wykres. Odczytać z wykresu wartość radialnej funkcji korelacji w punkcie r=

Z poradnika dowiesz się jak zautomatyzować kampanie marketingowe za pomocą narzędzi i różnego typu autoresponderów dostępnych w GetResponse.

Wstęp do obsługi bazy danych Reaxys

Laboratorium - Podgląd informacji kart sieciowych bezprzewodowych i przewodowych

Utworzenie aplikacji mobilnej Po uruchomieniu Visual Studio pokazuje się ekran powitalny. Po lewej stronie odnośniki do otworzenia lub stworzenia

Ćwiczenia z systemu operacyjnego WINDOWS

Skrypt 7. Funkcje. Opracowanie: L1

Symulacje inwertera CMOS

Instrukcja wprowadzania graficznych harmonogramów pracy w SZOI Wg stanu na r.

Prezentacja multimedialna MS PowerPoint 2010 (podstawy)

1 Programowanie w matlabie - skrypty i funkcje

Krok 1. - utworzenie własnego konta w serwisie.

Pracownia internetowa w każdej szkole (edycja Jesień 2007)

3D Analyst. Zapoznanie się z ArcScene, Praca z danymi trójwymiarowymi - Wizualizacja 3D drapowanie obrazów na powierzchnie terenu.

1. Przekrój poprzeczny tranzystora nmos. Uzupełnij rysunek odpowiednimi nazwami domieszek (n lub p). S G D

Ćwiczenie 2. Tworzenie serwisów internetowych. Zapoznanie z pakietem WebRatio

Cyfrowe Przetwarzanie Obrazów i Sygnałów

Wydawanie czytnikami by CTI. Instrukcja

Ćwiczenie 1 Automatyczna animacja ruchu

Palety by CTI. Instrukcja

Instrukcja korzystania ze skryptu kroswalidacja.py

Bazy danych kwerendy (moduł 5) 1. Przekopiuj na dysk F:\ bazę M5KW.mdb z dysku wskazanego przez prowadzącego

Expo Composer Garncarska Szczecin tel.: info@doittechnology.pl. Dokumentacja użytkownika

Laboratorium Inżynierii akustycznej

INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 2

Optyka geometryczna. Podręcznik metodyczny dla nauczycieli

Laboratorium - Task Manager (zarządzanie procesami) w Windows Vista

WPROWADZENIE DO ŚRODOWISKA SCICOS

Techniki wizualizacji. Ćwiczenie 10. System POV-ray tworzenie animacji

Księgarnia internetowa Lubię to!» Nasza społeczność

UMOWY INSTRUKCJA STANOWISKOWA

dr inż. Cezary Żrodowski Wizualizacja Informacji WETI PG, sem. V, 2015/16 b) Operacja wyciągnięcia obrotowego z dodaniem materiału - uchwyt (1pkt)

Tworzenie kampanii mailowych. Tworzenie kampanii mailowych.

Część A wprowadzenie do programu Mercury

dr inż. Cezary Żrodowski Wizualizacja Informacji WETI PG, sem. V, 2015/16

TwinCAT 3 konfiguracja i uruchomienie programu w języku ST lokalnie

Projektowanie baz danych za pomocą narzędzi CASE

Zespół kanoniczny N,V, T. acc o n =min {1, exp [ U n U o ] }

Zasady tworzenia podstron

Tworzenie prezentacji, PowerPoint

Instalacja i opis podstawowych funkcji programu Dev-C++

Automatyczna klasyfikacja zespołów QRS

OpenOfficePL. Zestaw szablonów magazynowych. Instrukcja obsługi

Ćw. 0: Wprowadzenie do programu MultiSIM

Instrukcja obsługi programu SWWS autorstwa Michała Krzemińskiego

Ćwiczenie 22 Dynamiczne wczytywanie tekstu z pliku.txt

Maskowanie i selekcja

Transkrypt:

Symulacja Wody Celem ćwiczenia jest wprowadzenie do symulacji struktur nanoskopowych w NAMD, oraz zapoznanie się z podstawowymi metodami analizy takich obliczeń. W ćwiczeniu zapoznasz się z takimi elementami obliczeń jak: jakie pliki wejściowe są potrzebne do wystartowania symulacji, przygotowanie układu do symulacji metodą dynamiki molekularnej, jakie są podstawowe parametry potrzebne do wystartowania symulacji, przeprowadzenie symulacji, analiza wyników przy pomocy funkcji statystycznych.

Atomistyczny model wody Atomistyczny model wody do dzisiaj jest problemem nierozwiązanym. W zależności od właściwości wody (moment dipolowy, stała dielektryczna, temperatura przejść fazowych itp.), na której odtworzeniu nam zależy stosowane są odpowiednie modele. Punktem wyjścia dla większości modeli jest założenie, atomy wodoru są związane z tlenem poprzez wiązanie harmoniczne nie tylko ze względu na długość wiązań ale również kąt pomiędzy nimi. Podstawową trudnościa w takim wypadku jest poprawne umiejscowienie ładunków. W tzw. modelu SPC (single point charge zapronowanym przez Bernala i Fowlera w 1933 roku jest intuicyjne założenie, ładunki(1+ na wodorach i 2- na tlenie) znajdują się w środkach atomów. Mimo prostoty takiego podejścia, założenie produkuje bardzo duży, niefizyczny, moment dipolowy wody. W 1949 Rowlinson zaproponował podobne podejście ale z ładunkami ujemnymy umieszczonymi na dwusiecznej kąta pomiędzy wiązaniami OH. Model ten stał się punktem wyjścia dla obecnie stosowanych modeli TIP4P czy TIP5P. Cechą wspólna wszystkich modeli jest założenie, że pomiędzy atomami wody działa potencjał Lenarda-Jonesa zapobiegąjący nachodzeniu cząstek na siebie. Modele atomistyczne wody: a)model trójpunktowy wody TIP3P: ładunki dotanie q1 umieszczone są w środku atomu wodoru (białe), ładunek dotatni q2 na dwusiecznej wiązań b) model czteropunktowy TIP4P: ładunek dodatni jest rozdzielony na dwa znajdujące się na na zewnątrze atomu tlenu.

NAMD NAMD (Not Another Molecular Dynamics program) jest pakietem obliczeniowym do dynamiki molekularnej nastawionym na złożone obliczenia struktur biologicznych. Jest programem darmowym opracowanym przez Theoretical and Compuational Biophysics Group Uniwersytetu w Illinois (http://www.ks.uiuc.edu/). Pakiet NAMD uruchamiamy przy pomocy skryptów zawierających polecenia (słowa kluczowe) dotyczące szczegółów symulacji. Istnieje możliwość puszczania prostszych symulacji przy pmocy programu VMD. Program VMD oprócz wizualizacji oferuje ponadto analizę wyników oraz szereg wtyczek umożliwiających tworzenie bardziej skomplikowanych układów. W ćwiczeniu poznamy jak przygotować symulację, jak ją uruchomić a także jak dokonać wstępnej analizy wyników. Struktura plików wejściowych i wyjściowych w NAMD *.psf (wiązania, kąty, prędkości) *.xsc (wielkość badanego układu, PBC) *.inp (plik parametrowy, forcefield) *.pdb (współrzędne atomów, grupy) NAMD *.namd (plik konfiguracjny, skrypt) *.coor (położenia końcowe) *.vel (prędkości końcowe) *.dcd (trajektoria) *.xsc (trajektoria wielkości układu) *.out (plik wynikowy: energie, temperatury itp.)

Ponieważ, aby obliczenia mogły wystartować wymagana jest duża ilość różnorodnych danych zostały one zawarte w różnych plikach. W plikach wejściowych do NAMD zawarte są następujące informacje: *.pdb plik zawierający współrzędne atomów badanego układu a także informacje o podziale na typy, residua, grupy *.psf plik zawiera informacje o tym, które atomy są ze sobą związane (bonds), z także jaki jest kąt pomiędzy wiązaniami, kąt dwuścienny oraz jakie są prędkości początkowe cząstek *.xsc w pliku zawarta jest informacja dotycząca periodycznych warunków brzegowych, jakie są rozmiary komórki elementarnej i pod jakim kątem są skierowne wektory tworzące *.inp tzw. plik topologiczny, zawiera informacje dotyczące oddziaływań pomiędzy poszczególnymi atomami w poszczególnych związkach (tzw. forcefield) *.namd plik zawierający skrypt wykonawczy czyli zestaw instrukcji które ma wykonać NAMD podczas symulacji W rezultacie symulacji powstaje również duża ilość informacji i podobnie są one poszeregowane w różnych plikach:.coor jest to plik typu pdb zawierający ostatnią klatkę symulacji (położenia końcowe).vel podobnie jak.coor zawiera prędkości w ostatniej klatce.dcd plik trajektorii: położenia i prędkości w czasie.xsc jak zmieniała się wielkość układu w czasie (ważne szczególnie w układzie NPT gdzie zmienia się objętość układu).out plik zawierający informacje o energiach, temperaturze, ciśnieniu itp. w trakcie trwania symulacji Plan symulacji 1. Analiza cząsteczki wody w modelu TIP3P 2. Zbudowanie układu zawierającego cząsteczki wody o określonej gęstości, objętości i temperaturze. 3. Analiza otrzymanego układu: strefy uwodnienia, porządek. 4. Symulacja w zespole NVE bez periodycznych warunków brzegowych -> doprowadzenie układu do stanu równowagi. 5. Analiza wyników symulacji. Cząsteczka wody 1. Otwórz program VMD. 2. Wczytaj cząsteczkę wody: File -> New Molecule -> Browse -> water.pdb 3. Przy pomocy programu VMD zmierz jaka jest długość wiązań oraz kąt pomiędzy wiązaniami w modelu TIP3P. Porównaj z danymi doświadczalnymi.

Pudełko wodne 1. Celem stworzenia układu do symulacji skorzystaj z narzędzia Extensions -> Modelling -> Add Solvation Box. 2. Plugin Add Solvation Box jest wtyczką służącą przede wszystkim do uwadniania badanych układów. W naszym ćwiczeniu użyjemy je do zbudowania układu wody do symulacji: a. W części Box Size wybierz współrzędne maksymalne oraz minimalne naszego ukladu wzdłuż każdej z osi: np. 0 20 0 20 0 20. b. Naciśinij polecenie Solvate i poczekaj. W oknie programu zostanie stworzony układ o zadanych rozmiarach. Ile atomów jest w układzie? Jaka jest gęstość zadanego układu? Czy jest równa gęstości eksperymentalnej? Dlaczego?

3. Wybierz cząsteczkę możliwie w środku układu a następnie zmierz odległości do najbliższych cząsteczek wody? Który atom wybierzesz jako bazowy? Ile cząsteczek znajduje się w najbliższym otoczeniu? Czy odległości są równe?

4. Aby uzyskać informację o średnim otoczeniu każdego atomów używamy tzw. radialnej funkcji rozkładu (RDF Radial Distribution Function). Wybierz Extensions -> Analysis -> Radial Pair Distribution Function: a. W oknie Use Molecule wybierz badany układ b. Policz RDF pomiędzy atomami wodoru, atomami tlenu, atomami tlenu i wodoru wypełniając odpowiednie odpowiednie pola Selection 1 i 2 (w oknie Graphical Representaion w zakładce Selection możesz sprawdzić jak nazwane są odpowiednie typy atomów a następnie w polu Selection wpisać type typ_atomu ). Odznacz Use PBC i naciśnij Compute g(r). c. W jakiej średniej odległości są najbliżsi sąsiedzi? (pierwsza strefa uwodnienia)

Symulacja Naszym celem będzie przeprowadzenie wstępnej symulacji naszego układu w zespole NVE. 1. W programie VMD otwórz Extensions -> Simulation -> NAMD Graphical Interface 2. We wtyczne NAMD GI możemy ustawić podstawowe parametry związane z symulacją. W szczególności: a. Wskazać pliki wejściowe (pdb, psf, plik z warunkami brzegowymi.xsc, plik topologiczny Parameter File ), b. Ustawić katalog, w którym będziemy wykonywac symulacje: Working Dir c. Zdecydować czy będziemy przeprowadzać minimalizację, dynamikę molekularną czy kontynuować poprzednią symulację, d. Ustawić liczbę kroków symulacyjnych, e. Zdecydować w którym układzie kanonicznym przeprowadzimy symulację oraz z jakimi parametrami (temperatura, ciśnienie). 3. Program domyślnie wczytuje pliki związane z wybranym układem (pola PSF/TOPPAR file oraz PDB/RST7 file). W obszarze Timesteps odznacz Minimanization a wybierz Molecular Dynamics (nie będziemy minimalizować geometrycznej struktury tylko badać dynamikę układu w czasie). Zapisz plik ze skryptem wyjściowym (File -> Save NAMD config file). 4. Wybierz przycisk Run NAMD. Program poprosi Cię o wskazanie pliku wykonawczego NAMD. Wskaż plik namd2 w odpowiednim katalogu. Pole Status zmieni się z Ready na Running. W momencie gdy symulacja się skończy ponowanie status zmieni się na Ready.

5. Przejdź do katalogu roboczego. Następnym krokiem jest załadowanie pliku wynikowego z trajektorią (rozszerzenie.dcd) do naszego układu. W oknie głównym wybierz plik układu.psf, a następnie wybierz File -> Load Data into Molecule -> Browse -> plik.dcd. Na koniec wybierz Load. Trajektoria (położenie atomów w czasie) zostanie załadowana do programu. 6. W oknie głównym wybierz Play (przycisk w prawym dolnym rogu) i obejrzyj naszą symulację. Co zauważasz? Czy układ zachował swój kubiczny kształt? Dlaczego? Czy wszystkie cząstki zachowują kohezję? Z jakim zjawiskiem można związać ruch cząstek nie pozostających w głównym układzie?

7. Możemy teraz obejrzeć i zanalizować wyniki. Wybierz Extensions -> Analysis -> NAMD Plot. Otworzy się wtyczka służąca do analizy wyników produkowanym przez plik wynikowy w formie graficznej. Wybierz BOND (energia potencjalna), KINETIC (energia kinetyczna) oraz TEMP (temperatura). Wybierz plik wynikowy z rozszerzeniem.out: NAMD File -> Select NAMD Log Fil. Następnie wybierz File -> Plot Selected Data. Od którego momentu układ jest w stanie równowagi? Dlaczego? Czy temperatura układu jest stała? Dlaczego?

8. W VMD jesteśmy w stanie dynamicznie śledzić wybrane paramtry np. odległości między cząsteczkami. Przesuń pasek czasu na początek. Następnie zmierz odległość pomiędzy dwoma wybranymi atomami. Przesuwaj pasek czasu i obserwuj jak zmienia się odległość pomiędzy atomami. Możemy zbadać jak zmienia się odległość również graficznie. Wybierz Graphics -> Labels. W liście rozwijanej wybierz Bonds a następnie przejdź do zakładki Graph i wybierz Graph Poeksperymentuj z różnymi odległościami od różnych cząsteczek. Czy widzisz jakąś prawidłowość?

9. Aby wyodrębnić średnią strukture wody posłużymy się funkcją RDF analizując nasz układ w stanie równowagi. Ponownie otwórz okno wtyczki RDF. Wybierz odległość pomiędzy atomami tlenu. W polu First Frame wybierz klatkę od której Twoim zdaniem rozpoczął się stan równowagi. Jak zmieniła się funkcja RDF w stosunku do poprzedniego przypadku (układ początkowy). Dlaczego? Jaka jest granica pierwszej strefy uwodnienia? Czy jest druga? Porównaj wyniki z wartościami eskperymentalnymi. Zastanów się jak można poprawić wyniki.

W domu 1. Powtórz analizę dla układu o objętości 27 000, 64 000 oraz 125 00 A 3 oraz wybranych temperatur z przedziału 298 K do 350 K. Oblicz gęstości, funkcje rozkładu, ilość cząstek na sekundę opuszczających układ. 2. W dowolnym edytorze tekstu otwórz plik konfidugarcyjny zapisany przez Ciebie. Przeanalizuj komendy które się w nim znajdują i krótko opisz za co każda odpowiada (źródło http://www.ks.uiuc.edu/research/namd/).