Comprendiendo la Dinámica Molecular Moderna: Técnicas y Aplicaciones

Los avances recientes en la metodología de dinámica molecular han hecho posible estudiar rutinariamente los detalles microscópicos de los procesos químicos en la fase condensada utilizando computadoras de alta velocidad. Por lo tanto, es oportuno y útil proporcionar un tratamiento pedagógico de los aspectos teóricos y numéricos de las técnicas modernas de simulación de dinámica molecular y mostrar varias aplicaciones que ilustran la capacidad de estos enfoques. Primero, se presenta el método basado en la dinámica newtoniana o hamiltoniana estándar, seguido de una discusión sobre los avances teóricos relacionados con la dinámica molecular no hamiltoniana. Se analizan ejemplos de esquemas de dinámica molecular no hamiltoniana capaces de generar el conjunto canónico y el isoterma-isobárico. A continuación, se revisa el nuevo enfoque de factorización del operador de Liouville para la integración numérica. El poder y la utilidad de esta nueva técnica se contrastan con métodos más básicos, particularmente en el desarrollo de integradores de múltiples escalas de tiempo y no hamiltonianos. Dado que los resultados de las simulaciones de dinámica molecular dependen de las interacciones interparticular empleadas en los cálculos, se discuten los campos de fuerza empíricos modernos y los enfoques de dinámica molecular ab initio. Se presentará un cálculo de ejemplo que combina un campo de fuerza empírico y nuevos métodos de dinámica molecular, la mutante T4 lisozima M61 en agua. Se describirá la combinación de la estructura electrónica con la dinámica clásica, el llamado método de dinámica molecular ab initio, y se discutirá una aplicación a la estructura del amoníaco líquido. Por último, se mostrará cómo los métodos clásicos de dinámica molecular pueden adaptarse para cálculos cuánticos utilizando la formulación del integral de trayectoria de Feynman de la mecánica estadística. Se presentará una aplicación, empleando tanto integrales de trayectoria como dinámica molecular ab initio, a un protón en exceso en agua.