Fundamentos de Dinâmica Molecular Clássica

Leandro Martínez
Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
http://m3g.iqm.unicamp.br

Este tutorial apresenta explicações para executar e analisar simulações de Dinâmica Molecular e Monte Carlo de um sistema bidimensional simples. O objetivo é que o estudante tenha contato com diversos detalhes técnicos envolvidos na realização dessas simulações e compreenda suas limitações.

1.1. Instalação do FundamentosDMC.jl

Instale o interpretador Julia utilizando a ferramenta juliaup. A versão 1.9 do Julia será instalada.

Tip

Ao pressionar ] no prompt do Julia, você acessa o gerenciador de pacotes (um prompt azul). Uma sequência como julia> ] add Package não deve ser copiada e colada.
Todos os outros comandos deste tutorial podem ser copiados e colados diretamente, inclusive no prompt julia>, que é removido automaticamente.

Execute o interpretador. Vamos criar um ambiente onde instalaremos os pacotes necessários:

julia> ] activate @FundamentosDMC

(O ] levará você ao prompt de gerenciamento de pacotes, "(@v1.9) pkg>", onde deve ser executado o comando activate ...) Pressione backspace para voltar ao prompt julia>.

Em seguida, instale os pacotes:

julia> ] add https://github.com/m3g/FundamentosDMC.jl Plots LsqFit

Esse processo pode levar alguns minutos, pois irá compilar e instalar todos os pacotes no ambiente @FundamentosDMC.

1.2. Instalação do VMD

Usaremos o VMD para visualização das trajetórias. Certifique-se de que ele está instalado em seu sistema.

1.3. Códigos

Julia é uma linguagem de programação de alto desempenho, dinâmica e com sintaxe bastante simples (leia aqui). Todos os códigos deste curso estão disponíveis no repositório https://github.com/m3g/FundamentosDMC.jl, e sua leitura será incentivada à medida que avançarmos no tutorial.

Os códigos apresentados aqui são suficientemente eficientes para os propósitos do tutorial, mas não estão otimizados para máximo desempenho, visando facilitar a compreensão.

1.4. Código completo resumido

Os pacotes podem ser instalados a partir de um script:

import Pkg
Pkg.activate("FundamentosDMC", shared=true)
Pkg.add(url="https://github.com/m3g/FundamentosDMC.jl")
Pkg.add("Plots")
Pkg.add("LsqFit")

1.5. Interface gráfica

Além de executar as simulações a partir do REPL do Julia, como descrito neste tutorial, o FundamentosDMC.jl oferece uma interface gráfica interativa, construída sobre o GLMakie. Ela pode ser usada para acompanhar, em tempo real, a execução das simulações nos diferentes ensembles apresentados aqui — a simulação microcanônica (NVE) e as simulações NVT com os termostatos isocinético, de Berendsen e de Langevin — além de acompanhar simulações de Monte Carlo, mostrando o movimento das partículas junto com as energias potencial, cinética e total, e a temperatura. Todos os parâmetros do sistema e da simulação podem ser definidos diretamente na interface.

Para usá-la, instale e carregue o GLMakie além do FundamentosDMC:

julia> import Pkg; Pkg.add("GLMakie")

julia> using FundamentosDMC

julia> import GLMakie

julia> simulate_gui()