Language
Country/Area
No result found
سحر الماء: كيفية محاكاة لغز الماء باستخدام الكيمياء الحاسوبية؟
الماء، باعتباره أحد أهم المواد على الأرض، فإن خصائصه الفيزيائية والكيميائية الفريدة ضرورية لوجود الحياة. منذ ظهور الكيمياء الحاسوبية، عمل العلماء على استخدام النماذج الرياضية لمحاكاة سلوك الماء. لا تتنبأ هذه النماذج بالخصائص الفيزيائية للمياه فحسب، بل توفر أيضًا رؤى حول كيفية تفاعل المياه في بيئات مختلفة ودورها في الكائنات الحية.
"ترتبط خصائص الماء ارتباطًا وثيقًا ببنيته الجزيئية، والتي يمكن محاكاتها والتنبؤ بها باستخدام أساليب الكيمياء الحسابية."
تُستخدم نماذج المياه في الكيمياء الحاسوبية بشكل أساسي لمحاكاة تجمعات جزيئات الماء والماء السائل والمحاليل المائية. وتعتمد هذه النماذج على ميكانيكا الكم، أو الميكانيكا الجزيئية، أو البيانات التجريبية، أو مزيج من هذه الأساليب. لمحاكاة الخصائص المحددة لجزيئات الماء، طور الباحثون عدة أنواع من النماذج، والتي يمكن تصنيفها عمومًا بثلاث طرق: (أ) عدد نقاط التفاعل، والتي تسمى "المواقع"، (ب) الصلبة أو المرنة، و ( ثالثا) ما إذا كان النموذج يتضمن تأثيرات الاستقطاب.
في محاكاة الماء، النهج الشائع هو استخدام نموذج مذيب صريح، أي نموذج يعتمد على جزيئات محددة. كبديل لهذه النماذج الصريحة، تتوفر نماذج المذيبات الضمنية، والتي تستخدم نموذجًا متواصلًا لمعالجة سلوك الماء. ومن الأمثلة على هذا المجال نموذج مذيب COSMO أو نموذج المتصل المستقطب (PCM)، أو حتى بعض نماذج المذيبات المختلطة.
نموذج مائي بسيط
يعتبر النموذج الصلب أبسط نموذج للمياه ويعتمد على التفاعلات غير المرتبطة. في هذه النماذج، تتم معالجة تفاعلات الروابط ضمنيًا عبر القيود العالمية. يتم نمذجة التفاعلات الكهروستاتيكية على أساس قانون كولومب، في حين يتم وصف القوى التنافرية والتشتتية باستخدام إمكانات لينارد جونز. يتم تمثيل هذه النماذج المحتملة، مثل TIP3P (الإمكانات الجزيئية القابلة للتحويل ذات الثلاث نقاط) وTIP4P، على النحو التالي:
E = ∑(kC * qi * qj / rij) + (A / rOO^12) - (B / rOO^6)
حيث kC هو الثابت الكهروستاتيكي، وqi وqj هما الشحنتان الجزئيتان بالنسبة لشحنة الإلكترون، وrij هي المسافة بين الذرتين. في العديد من نماذج المياه، ينطبق مصطلح لينارد جونز فقط على التفاعلات بين ذرات الأكسجين. تختلف المعلمات الهندسية لمختلف نماذج المياه، مثل مسافة OH وزاوية HOH، وفقًا للنموذج.
النماذج ثنائية وثلاثية الأبعاد
يعتمد نموذج الموقعين على نموذج SPC المألوف ثلاثي المواقع وهو قادر على التنبؤ بالخصائص العازلة للمياه باستخدام نظرية السوائل الجزيئية المعاد تطبيعها حسب الموقع. يتوافق النموذج ثلاثي الأبعاد مع الذرات الثلاث لجزيء الماء، حيث يحمل كل موقع شحنة. يعد النموذج ثلاثي الأبعاد فعالاً من الناحية الحسابية ويُستخدم على نطاق واسع في العديد من عمليات محاكاة الديناميكيات الجزيئية."إن النماذج ثلاثية الأبعاد المستخدمة بشكل شائع، مثل TIP3P، تعمل بشكل جيد في حساب أداء الحرارة النوعية."
على سبيل المثال، يضيف نموذج SPC/E تصحيح الاستقطاب إلى دالة الطاقة الكامنة، مما يجعل كثافة الماء الناتجة وثابت الانتشار أفضل من نموذج SPC. يتم استخدام نموذج TIP3P على نطاق واسع في مجال قوة CHARMM، ويتم إجراء تعديلات طفيفة على النموذج الأصلي لجعله أكثر ملاءمة لمحاكاة الجزيئات البيولوجية.
النماذج المرنة مقابل النماذج الجامدةنموذج الماء SPC المرن هو نموذج مائي ثلاثي الأبعاد معاد معاملته. وعلى عكس نموذج SPC الصلب، يمكن للنموذج المرن وصف كثافة الماء وثابت العزل الكهربائي بشكل صحيح في محاكاة الديناميكيات الجزيئية. تم تنفيذ هذا النموذج في العديد من البرامج الحسابية، مثل MDynaMix و Abalone.
نماذج المياه من الدرجة الأعلى
يعمل نموذج المواقع الأربعة على تحسين توزيع شحنات جزيئات الماء عن طريق إضافة ذرة وهمية بالقرب من ذرة الأكسجين في نموذج المواقع الثلاثة. ويمكن تتبع أقدم نموذج من هذا القبيل إلى نموذج برنال-فاولر في عام 1933. وعلى الرغم من أهمية النموذج تاريخيا، إلا أنه لم يتمكن من إعادة إنتاج الخصائص الأساسية للمياه بشكل جيد.
يستخدم نموذج TIP4P على نطاق واسع في برامج الكيمياء الحاسوبية ويلعب دورًا رئيسيًا في محاكاة الأنظمة الجزيئية الحيوية، في حين أن نماذج المياه الجديدة مثل نموذج OPC قادرة على وصف الخصائص الكهربائية للمياه بدقة أكبر.
تطوير نماذج الخمسة والستة مواضع
على الرغم من أن نموذج الخمس بتات له تكلفة حسابية عالية، إلا أنه حقق تقدماً تدريجياً في السنوات الأخيرة مع تقديم نموذج TIP5P. يتمكن النموذج ذو الخمس بتات من إعادة إنتاج هندسة ثنائي الماء بشكل أفضل ويكون قادرًا على التقاط البيانات التجريبية بدقة. يتضمن النموذج المكون من ستة بتات جميع ميزات النماذج السابقة في البيانات وهو مصمم خصيصًا لدراسة أنظمة المياه والجليد.
في الكيمياء الحاسوبية، لا يعد محاكاة الماء تحديًا تقنيًا فحسب، بل يعد أيضًا مفتاحًا لفهم كيفية عمل الحياة.
التكاليف الحسابية والآفاق المستقبلية
تزداد التكلفة الحسابية لنموذج المياه مع زيادة عدد المواقع. بالنسبة لمحاكاة ديناميكيات الجزيئات، مع زيادة عدد المواقع، يزداد أيضًا عدد المسافات بين الذرات التي يتعين حسابها. ومع ذلك، فإن تطوير هذه النماذج ليس مجرد سرد رياضي، بل هو نموذج مصغر لكيفية تصرف الماء فعليًا في الطبيعة. مع تقدم التكنولوجيا، هل سنتمكن من العثور على نماذج تكشف المزيد من أسرار المياه في المستقبل القريب؟
