Dinamica molecolare

Il termine dinamica molecolare indica una estensione al caso dinamico della meccanica molecolare: le molecole vengono caratterizzate computazinalmente in funzione di parameri che esprimono le loro caratteristiche fisiche per mezzo delle leggi che appartengono al mondo della fisica classica. L'estensione al caso dinamico della meccanica molecolare avviene semplicemente per mezzo della equazione di Newton del moto:

si prenda ad esempio un punto nello spazio monodimensionale con coordinate x note, la sua velocità in un dato momento t sarà pari a

e la sua accelerazione viene definita come

L'equazione di Newton per il moto permette di relazionare con la forza la accelerazione

e da questa ottenere la velocità per integrazione,

riuscendo così a descrivere l'oggetto cinematicamente e dinamicamente.

La meccanica molecolare fornisce per ogni molecola parametrizzata un potenziale V (comunemente detto force field o campo di forze), da cui si può facilmente ottenere per derivazione la forza esercitata su un punto nello spazio dalla molecola

e da questa, come precedentemente mostrato, si possono ricavare accelerazione e velocità, ricavandone le informazioni dinamiche (donde il nome della tecnica) sul sistema.

Quanto mostrato fino a qui � solo un esempio relativo ad un punto in uno spazio monodimensionale: ovviamente la dinamica molecolare studia oggetti nello spazio non puntiformi, per cui la complessità della trattazione appare subito evidente nell'implementare algoritmi efficienti e veloci per valutare correttamente le forze e i contributi di ogni singolo atomo alla generazione di forze. Inoltre, per ottenere una progressione del sistema nel tempo, sono stati sviluppati opportuni algoritmi con lo scopo di raggiungere un tempo successivo a quello del calcolo partendo da quest'ultimo, procedimento che viene iterativamente ripetuto fino a raggiungere il tempo desiderato (tipicamente dell'ordine dei 1-10 nanosecondi su un singolo processore e diverse centinaia di nanosecondi per i supercomputer/cluster di processori).

Il vantaggio di una siffatta tecnica � la sua estrema agilità matematica e l'esiguo costo computazionale se confrontata con i metodi quantomeccanici, che richiedono un apparato matematico pi� rigoroso: per converso, mancando del rigore dei metodi quantomeccanici, i calcoli effettuati in tal modo contengono una forte approssimazione di alcune proprietà.

A causa dei suoi vantaggi, la dinamica molecolare nell'ultimo ventennio ha trovato grandi applicazioni nello studio delle proteine, dei lipidi e dei polimeri, ovvero sistemi grandi il cui costo computazionale per un eventuale studio quantomeccanico sarebbe stato addirittura incalcolabile.