C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -1- 2. Výpočetní chemie Petr Kulhánek kulhanek@chemi.muni.cz Národní centrum pro výzkum biomolekul, Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita, Kotlářská 2, CZ-61137 Brno C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I - cvičení C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -2Výpočetní chemie reálný problém (chování chemického systému na makroskopické úrovni) molekulární podstata (chování chemického systému na mikroskopické úrovni) experiment C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -3Výpočetní chemie reálný problém (chování chemického systému na makroskopické úrovni) molekulární podstata (chování chemického systému na mikroskopické úrovni) experiment )()(ˆ rr kkk EH   i i i r V dt rd m    )( 2 2 R    k Tk U b b k eTkA ln a další .... C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -4Výpočetní chemie reálný problém (chování chemického systému na makroskopické úrovni) molekulární podstata (chování chemického systému na mikroskopické úrovni) experiment výpočet    k Tk U b b k eTkA ln )()(ˆ rr kkk EH   i i i r V dt rd m    )( 2 2 R C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -5Výpočetní chemie výpočetní chemie experiment teorie Počítačová chemie (výpočetní chemie, Computational Chemistry) je odvětví chemie, které využívá počítačů při řešení chemických problémů. Používá výsledků teoretické chemie implementované do výkonných počítačových programů určených k výpočtům struktury, vlastností a reaktivity molekul a pevných látek. http://www.wikipedia.org C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -6Multidisciplinární obor algoritmy, CPU/GPU, cluster/grid, symbolické výpočty analytické řešení, numerická řešení, aproximace teorie, aproximace (bio)chemické problémy, experimenty, ověřování Výpočetní chemie C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -7Realita vs Simulace Je možné přesně simulovat realitu kolem nás? C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -8Úkol I Je možné přesně simulovat realitu kolem nás? Kolik molekul obsahuje 180 ml vody při pokojové teplotě? Kolik počítačové paměti bude zapotřebí pro uložení informací o poloze všech atomů včetně jejich rychlostí za použití reálných čísel s jednoduchou přesností? C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -9Úkol II Je možné přesně simulovat realitu kolem nás? Kolik strojového času zabere simulace 1 s vývoje molekulárního systému? Nejrychlejším molekulárním pohybem je vibrace O-H vazeb s přibližnou periodou 10 fs, která se bude vzorkovat 10 snímky. Výpočet jednoho snímku trvá přibližně 1 ms strojového času. C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -10Realita vs Simulace Realita Výsledek experiment Proč?  neúplná teorie  nedostatečný výkon současných i budoucích(?) počítačů Řešení ...  použití aproximací umožňujících řešení problému za použití dostupné výpočetní kapacity Je možné přesně simulovat realitu kolem nás? Bohužel NE :-( C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -11Realita vs Simulace Realita Model Výsledek výpočet aproximace Výsledek Výsledek experiment validace !!!! aproximace předpověď Proč?  neúplná teorie  nedostatečný výkon současných i budoucích(?) počítačů Řešení ...  použití aproximací umožňujících řešení problému za použití dostupné výpočetní kapacity Je možné přesně simulovat realitu kolem nás? Bohužel NE :-( C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -12Validace výsledků výpočtů Srovnání předpovězené struktury se strukturou experimentální ▪ 3D struktura (X-ray, docking) ▪ tvar (kryogenní elektronová mikroskopie) ▪ geometrické parametry ▪ vzdálenosti (NMR) ▪ radiální distribuční funkce (X-ray rozptyl, rozptyl neutronů) Vlastnosti molekul ▪ elektronové spektra (UV/VIS spektroskopie) ▪ vibrační spektra (IR spektroskopie) ▪ dipolový moment ▪ difuzní koeficient ▪ chemické posuny, spin-spinové interakční konstanty (NMR) Srovnání vypočtených a experimentálních termodynamických a kinetických dat ▪ enthalpie (isothermální titrační kalorimetrie - ITC) ▪ entropie (ITC) ▪ volná energie (Gibbsova, Helmholtozva) (ITC, kinetické měření) C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -13Přínos výpočetní chemie výpočetní chemie experiment teorie “rozlišen픓přesnost” C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -14Přínos výpočetní chemie výpočetní chemie experiment teorie “rozlišen픓přesnost” Výpočetní chemie je schopna pracovat s jednoatomovým rozlišením. C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -15Experiment vs simulace hypotéza výsledek problém znalost experimenty simulace ▪realita kolem nás ▪ rozlišení ▪ drahé, nebezpečné, příliš složité realizovat ▪ rozlišení (většinou atomové rozlišení) ▪ jakékoliv myslitelné uspořádání ▪ model C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -16Nobelova cena za chemii 1998/2013 The Nobel Prize in Chemistry 1998 was divided equally between Walter Kohn "for his development of the density-functional theory" and John A. Pople "for his development of computational methods in quantum chemistry" http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1998/ http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2013/ Development of Multiscale Models for Complex Chemical Systems C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -17- Shrnutí Počítačová chemie: • je interdisciplinární vědní disciplína kombinující současné poznatky z fyziky, chemie, matematiky a informatiky k počítačovému studiu struktury, vlastností a reaktivity molekulárních systémů • používá aproximativních modelů a výpočetních postupů • vyžaduje ověření (validace/kalibraci) použitých modelů a výpočetních postupů vůči experimentálním datům • dosahuje kvalitativních až kvantitativních výsledků (podle použitých modelů) • typicky pracuje s atomovým rozlišením Během přednášky se seznámíme s metodami umožňující studium systémů obsahujících až 100 000 atomů v časové škále několika nanosekund.