Dalam pembuatan Water
Modelling kali ini kita akan membuat simulasi dari penggambaran sebenarnya dari
sebuah air yang jatuh dari ketinggian tertentu ke dalam sebuah bejana atau
wadah yang di buat dengan volume bejana yang telah di tentukan dan wadah tersebut
akan terisi air yang jatuh tersebut sehingga wadah akan terisi penuh oleh air.
Konsep yang di gunakan dalam kimia komputasi , model klasik air yang digunakan
untuk simulasi cluster air , cairan air, dan larutan encer dengan pelarut
eksplisit. Model ini menggunakan perkiraan dari mekanika molekul. dapat
diklasifikasikan dengan jumlah poin yang digunakan untuk mendefinisikan model
(atom ditambah situs dummy), Sebuah alternatif untuk model air eksplisit adalah
dengan menggunakan solvasi implisit model, juga dikenal sebagai model kontinum,
contoh yang akan menjadi model solsavi. Sebuah model air di definisikan oleh
geometri, bersama-sama dengan parameter lain seperti biaya atom dan
Lennard-Jones parameter.
Model air sederhana
1. Model air sederhana
memperlakukan molekul air sebagai kaku dan hanya bergantung pada interaksi
non-berikat . Interaksi elektrostatik dimodelkan menggunakan hukum coloumb dan
gaya dispersi dan tolakan menggunakan potesial Lennard-jones . Potensi untuk
model seperti TIP3P dan TIP4P diwakili oleh
di mana k C, kostanta
elektrostatik, memiliki nilai 332.1 Å · kkal / mol dalam satuan yang umum
digunakan dalam pemodelan molekul, q i adalah biaya parsial relatif terhadap
muatan elektron, r ij adalah jarak antara dua atom atau situs dibebankan, dan A
dan B adalah Lennard-Jones parameter. Situs dibebankan mungkin pada atom atau
pada situs dummy (seperti pasangan mandiri). Dalam model air yang paling,
istilah Lennard-Jones hanya berlaku untuk interaksi antara atom oksigen. Gambar
di bawah menunjukkan bentuk umum dari 3 - 6 untuk model air-situs. Parameter
geometrik yang tepat (jarak dan sudut OH HOH) bervariasi tergantung pada model.
2. Sebuah model tempat
air yang didasarkan pada model tiga-situs asing SPC telah ditunjukkan untuk
memprediksi sifat dielektrik dari air dengan menggunakan situs-renormalized
teori cairan molekul
3. model memiliki
situs interaksi tiga, sesuai dengan tiga atom dari molekul air. Setiap atom
akan diberi muatan titik, dan atom oksigen juga mendapatkan Lennard-Jones
parameter. model ini sangat populer untuk dinamika molekul simulasi karena
kesederhanaan dan efisiensi komputasi. Kebanyakan model menggunakan geometri
kaku yang cocok dengan geometri diketahui dari molekul air. Pengecualian adalah
model SPC, yang mengasumsikan bentuk tetrahedral yang ideal (HOH sudut 109,47
°) bukan sudut diamati 104,5 °. Tabel di bawah ini daftar parameter untuk
beberapa model.
| TIPS[4] | SPC[5] | TIP3P[6] | SPC/E[7] | |
|---|---|---|---|---|
| r(OH), Å | 0.9572 | 1.0 | 0.9572 | 1.0 |
| HOH, deg | 104.52 | 109.47 | 104.52 | 109.47 |
| A × 10−3, kcal Å12/mol | 580.0 | 629.4 | 582.0 | 629.4 |
| B, kcal Å6/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 |
Model SPC / E menambahkan koreksi polarisasi rata-rata untuk fungsi energi potensial:
di mana μ adalah
dipole dari molekul air secara efektif terpolarisasi (2,35 D untuk model SPC /
E), μ 0 adalah momen dipol dari molekul air yang terisolasi (1,85 D dari
percobaan), dan α i adalah polarisabilitas isotropik konstan, dengan nilai
1,608 × 10 -40 F m 2. Karena biaya dalam model adalah konstan, koreksi ini
hanya menghasilkan menambahkan 1,25 kkal / mol (5.22 kJ / mol) dengan energi
total. Hasil Model SPC / E di kepadatan yang lebih baik dan difusi konstan dari
model SPC.
Model TIP3P diimplementasikan dalam CHARMM medan kekuatan adalah sedikit versi modifikasi dari aslinya. Perbedaannya terletak pada Lennard-Jones parameter: seperti TIP3P, versi CHARMM model menempatkan Lennard-Jones parameter pada atom hidrogen juga, di samping satu di oksigen. Tuduhan tidak dimodifikasi.
Fleksibel SPC air Model
Titik muatan fleksibel
sederhana air model (atau model air Fleksibel SPC) adalah re-parametrization
dari model air tiga-situs SPC. Model SPC kaku, sementara model SPC fleksibel
fleksibel. Dalam model Toukan dan Rahman, OH peregangan dibuat anharmonic dan
dengan demikian perilaku dinamis baik dijelaskan. Ini adalah salah satu dari
tiga pusat yang paling akurat air model tanpa memperhitungkan polarisasi .
Dalam dinamika molekuler simulasi memberikan yang benar kepadatan dan
permitivitas dielektrik air.
4. model menempatkan
muatan negatif pada atom dummy (berlabel M dalam gambar) ditempatkan dekat
oksigen sepanjang bisektris dari sudut HOH. Hal ini meningkatkan distribusi
elektrostatik di sekitar molekul air. Model pertama yang menggunakan pendekatan
ini adalah model Bernal-Fowler diterbitkan pada tahun 1933, yang juga merupakan
model air awal. Namun, model BF tidak mereproduksi dengan baik sifat sebagian
besar air, seperti kerapatan dan panas penguapan , dan karena itu hanya
kepentingan sejarah. Ini merupakan konsekuensi dari metode parameterization,
model-model baru, yang dikembangkan setelah komputer modern menjadi tersedia,
yang parameter dengan menjalankan metropolis monte carlo atau dinamika molekul
simulasi dan menyesuaikan parameter sampai sifat massal yang direproduksi
dengan cukup baik. Model TIP4P, pertama kali diterbitkan pada tahun 1983,
secara luas diimplementasikan dalam paket perangkat lunak kimia komputasi dan
sering digunakan untuk simulasi sistem biomolekuler. Ada reparameterizations
berikutnya dari model TIP4P untuk keperluan tertentu: model TIP4P-Ew, untuk
digunakan dengan metode penjumlahan Ewald, TIP4P/Ice, untuk simulasi air es
padat, dan TIP4P/2005, sebuah parameterisasi umum untuk mensimulasikan seluruh
diagram fase air terkondensasi.
| BF[12] | TIPS2[13] | TIP4P[6] | TIP4P-Ew[14] | TIP4P/Ice[15] | TIP4P/2005[16] | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| r(OH), Å | 0.96 | 0.9572 | 0.9572 | 0.9572 | 0.9572 | 0.9572 |
| HOH, deg | 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 Å12/mol | 560.4 | 695.0 | 600.0 | 656.1 | 857.9 | 731.3 |
| B, kcal Å6/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 |
| BNS[17] | ST2[17] | TIP5P[18] | TIP5P-E[19] | |
|---|---|---|---|---|
| r(OH), Å | 1.0 | 1.0 | 0.9572 | 0.9572 |
| HOH, deg | 109.47 | 109.47 | 104.52 | 104.52 |
| r(OL), Å | 1.0 | 0.8 | 0.70 | 0.70 |
| LOL, deg | 109.47 | 109.47 | 109.47 | 109.47 |
| A × 10−3, kcal Å12/mol | 77.4 | 238.7 | 544.5 | 554.3 |
| B, kcal Å6/mol | 153.8 | 268.9 | 590.3 | 628.2 |
| q(L) | −0.19562 | −0.2357 | −0.241 | −0.241 |
| q(H) | +0.19562 | +0.2357 | +0.241 | +0.241 |
| RL, Å | 2.0379 | 2.0160 | ||
| RU, Å | 3.1877 | 3.1287 |
Catatan, bagaimanapun,
bahwa BNS dan ST2 model tidak menggunakan hukum Coulomb langsung untuk istilah
elektrostatik, tapi versi modifikasi yang diperkecil pada jarak pendek dengan
mengalikan dengan fungsi switching S (r):
6. menggabungkan semua
situs dari 4 - dan 5-situs Model ini dikembangkan oleh Nada dan van der Eerden.
Awalnya dirancang untuk mempelajari air / es sistem, namun memiliki titik leleh
yang sangat tinggi
Komputasi biaya
Biaya komputasi dari
simulasi air meningkat dengan jumlah situs interaksi dalam model air. Waktu CPU
adalah sekitar sebanding dengan jumlah jarak interatomik yang perlu dihitung.
Untuk model 3-situs, 9 jarak yang diperlukan untuk setiap pasangan molekul air
(setiap atom dari satu molekul terhadap setiap atom dari molekul lain, atau 3 ×
3). Untuk model 4-situs, 10 jarak yang diperlukan (setiap situs dibebankan
dengan setiap situs dibebankan, ditambah interaksi OO, atau 3 × 3 + 1). Untuk
model 5-situs, 17 jarak yang diperlukan (4 × 4 + 1). Akhirnya, untuk model
6-situs, 26 jarak yang diperlukan (5 × 5 + 1). Bila menggunakan model air kaku
dalam dinamika molekuler, ada biaya tambahan yang terkait dengan menjaga
struktur dibatasi, menggunakan algoritma kendalan panjang ikatan dibatasi
sering mungkin untuk meningkatkan langkah waktu).
