Ред. Хохлов А.Р. (академик РАН), Рабинович А.Л., Иванов В.А. Методы компьютерного моделирования для исследования полимеров и биополимеров

Оглавление

Предисловие

Стремительное развитие вычислительной техники, особенно за последние 10 лет, привело к бурному росту количества научных работ в физике, химии, биологии и смежных науках, основным методом исследования в которых является так называемое "компьютерное моделирование" (или "компьютерный эксперимент"). Эти термины применяются в случаях, когда компьютер в научной работе используется не в традиционном качестве, т.е. в виде средства ускорения процесса расчета искомых величин по аналитически заданным формулам (или средства обработки введенной информации), но как особый "прибор". На этом приборе с помощью заданной модели и специально составленных программ проводится детальная имитация исследуемого процесса, в итоге которой извлекается информация об искомых свойствах системы. Технический прогресс в области вычислительной техники стимулировал развитие множества численных алгоритмов для решения различных задач с использованием компьютеров. В итоге компьютерное моделирование, наряду с традиционными теоретическими (аналитическими) подходами, а также экспериментальными методами, превратилось в мощное средство изучения свойств различных молекулярных систем и объектов, в ряде случаев едва ли не единственно возможное, а потому представляющее специальный интерес.

Книга содержит материал, являющийся одновременно и научным, и учебным. Она обобщает опыт ведущих российских специалистов в области компьютерного моделирования полимерных и биополимерных систем и знакомит читателя с последними достижениями, актуальными проблемами и основными направлениями исследований в этой области (в том числе междисциплинарными). Книга содержит описание основных методов и алгоритмов компьютерного моделирования молекулярных систем и дает общий обзор их развития (более подробно основные этапы истории компьютерного моделирования полимеров и биополимеров в нашей стране отражены в редакционном обзоре в юбилейном выпуске журнала "Высокомолекулярные соединения", посвященном 50-летию журнала). В большинстве глав для решения различных задач использованы два основных метода компьютерного моделирования: Монте-Карло (МК) и молекулярной динамики (МД). Авторы данной книги не только используют эти методы, но и сами разработали несколько уникальных алгоритмов, поэтому некоторые идеи изложены в книге в авторскихвариантах. Авторы подчас приоткрывают "математическую кухню" компьютерных экспериментов – это представляет особую ценность. Все это выгодно отличает книгу от других пособий, придает ей конструктивность и оригинальность.

Одна из основных задач книги – обозначить при изложении различных методов общие принципы мультимасштабного моделирования, т.е. указать, где это возможно, пути "стыковки", сопряжения результатов моделирования, полученных микроскопическими, мезоскопическими и макроскопическими методами, "работающими" на разных пространственных и временных масштабах. Главы книги упорядочены по принципу увеличения масштабов рассматриваемых в них систем, как это часто делается при написании монографий и учебных пособий по компьютерному моделированию (см., например,). К микроскопическим относятся методы, в которых система описывается на "языке" атомов и молекул (это методы МК, МД, метод стохастической динамики). К мезоскопическим относятся методы описания системы в терминах коллективных переменных, например, функций распределения потенциальных полей и плотностей (это теоретико-полевые методы самосогласованного среднего поля, функционала плотности, нелинейных интегральных уравнений теории жидкостей, метод диссипативной динамики частиц). Наконец, макроскопические методы – это феноменологические методы решения уравнений в сплошных средах (механика сплошных сред, электродинамика, гидродинамика, метод конечных элементов, полуэмпирические методы расчета физических свойств полимеров на основе вкладов отдельных атомов и/или атомных групп и др.).

Помимо описания общих принципов и конкретных методик компьютерного моделирования, в каждой главе книги даны примеры изучения свойств различных молекулярных систем с помощью компьютерного эксперимента; это касается как методов квантовомеханических, так и микроскопических, мезоскопических, макроскопических. В итоге спектр рассмотренных подходов и задач оказался весьма широким. Так, в книге представлены материалыпо моделированию методами квантовой и молекулярной механики механизмов реакций ферментативного катализа (А.В.Немухин, С.В.Лущекина, С.Д.Варфоломеев), обзоры по моделированию полимерных и биомолекулярных систем методами МД (Н.К.Балабаев, К.В.Шайтан) и МК (А.Л.Рабинович, В.А.Иванов), обзоры по методам МК в обобщенных ансамблях (П.Н.Воронцов-Вельяминов, Н.А.Волков, А.А.Юрченко, А.П.Любарцев), обратному методу МК и мультимасштабному моделированию (А.П.Любарцев). Подробно описана гибридная вычислительная схема, сочетающая метод МК и численное решение интегральных уравнений теории жидкостей для моделирования полимерных систем, представлены конкретные ее реализации (П.Г.Халатур), описаны методы МК-моделирования полимерных растворов жесткоцепных макромолекул (В.А.Иванов, Ю.А.Мартемьянова, М.Р.Стукан), приведены обзоры по конформационно-зависимому дизайну сополимеров и эволюционным процедурам дизайна последовательностей (А.В.Чертович, А.Р.Хохлов), по моделированию сверхразветвленных полимеров и биополимеров, т.е. дендримеров (С.В.Люлин, А.В.Люлин, А.А.Даринский), а также деформированных полимерных стекол (А.В.Люлин, М.Михелс), по МД-моделированию термомеханического поведения слоистых нанокристаллов (М.А.Мазо). Рассмотрены некоторые свойства жидкокристаллических систем, олигомерных компонентов липидных бислоев (А.Л.Рабинович), а также липидных бислоев с высоким содержанием холестерина (В.В.Корнилов, А.Л.Рабинович, Н.К.Балабаев), вопросы диффузии в биомембранах с различным липидным составом (К.В.Шайтан, М.Ю.Антонов, Е.В.Турлей, О.В.Левцова, К.Б.Терёшкина, И.Н.Николаев). В книге также содержатся обзоры по молекулярному дизайну наноконтейнеров на основе углеродных нанотрубок (К.В.Шайтан, Е.В.Турлей, Д.Н.Голик, И.Н.Николаев), по моделированию деформирования полимеров на основе определяющих соотношений механики сплошных сред (С.А.Тиман, М.Ю.Шамаев, В.Г.Ошмян), МК-моделированию больших молекулярных систем с использованием параллельных вычислений (А.В.Теплухин), обзоры свойств линейных и сетчатых полимеров и методов компьютерного синтеза полимеров с заданными свойствами (А.А.Аскадский), дан обзор методов исследования солитонных возбуждений в полимерных системах (А.В.Савин).

Большинство глав настоящей книги – это материалы лекций, прочитанных авторами на Всероссийской школе по математическим методам для исследования полимеров и биополимеров (Петрозаводск, 2006 год). В мировой практике традиционным является выпуск трудов по материалам различных конференций, в которых дается расширенное изложение обсуждавшихся на конференции вопросов по принципу "от простого к сложному и наиболее актуальному" (см., например,). Настоящий сборник – аналог подобных трудов. Книга будет полезна специалистам, использующим в работе методы компьютерного моделирования, а также студентам и аспирантам – физикам, химикам, биологам, специализирующимся в соответствующих областях науки. Она может быть использована и для знакомства с задачами в тех областях, где читатель не является специалистом, и просто для справочных целей, так как в большинстве глав настоящей книги представлены обширные списки литературы по соответствующим проблемам.

В то же время многие важные разделы и области применений компьютерного моделирования затронуты в книге лишь частично или не затронуты совсем. Поэтому целесообразно привести ряд ссылок на литературные источники, в которых соответствующим вопросам уделено должное внимание. Так, моделированию полиэлектролитов посвящены обзоры, а мезоскопическим методам моделирования для учета гидродинамики – обзор. Методы компьютерного моделирования для расчета макроскопических свойств материалов (моделинг, или компьютерное материаловедение) рассматриваются, например, в книгах, а прикладные разработки для материаловедения в рамках методики мультимасштабного моделирования можно найти в обзорах.

От имени всех авторов благодарим РФФИ за финансирование издания этой книги в рамках проектов N 08–03–07031–д и N 09–03–02002–э\_д.

О редакторе