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title: Molecular Dynamics
tags: hpcai
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# Molecular Dynamics
[TOC]

## GROMACS
* [GROMACS](https://en.wikipedia.org/wiki/GROMACS)
* 是一套 molecular dynamics(分子動力學模擬) 的軟體
* 主要用來模擬研究【蛋白質】、【脂質】、【核酸】等生物分子的性質。
* GROMACS是開源免費的軟體

## What is molecular dynamics?
* [molecular dynamics](https://en.wikipedia.org/wiki/Molecular_dynamics) (MD)：分子動力學模擬
* 是一種 [computer simulation](https://en.wikipedia.org/wiki/Computer_simulation) (電腦模擬) 的方法
* computer simulation 是一種在電腦上執行數學模型的過程，目的是為了預測現實生活中發生的行為或是一些看不見的物理行為
* **模擬原子、分子的運動，以及它大概的樣子**
* 用力場 (force fields) 來描述粒子之間的相互作用
* 透過雙重積分的方式來計算，隨著時間的變化，初始狀態的變化軌跡
* 核心概念：**集合** 和 **收斂**
* 集合：一個粒子的時間平均值等於許多粒子的集合平均值，所以我們可以長時間觀察一個粒子，也可以短時間觀察許多粒子
* 收斂：收斂取決於你所研究的屬性類型。為了觀察所有對你想要計算的屬性來說很重要的狀態，你就需要通過運行模擬來蒐集足夠的採樣數據。比方說如果你對時間相對較短的過程感興趣，那你也不需要那麼多的模擬來收斂這些屬性，這意味著某些更複雜的屬性也都會有一個的平均值。
* 這就反過來加強了一個變化軌跡的最短時間
* 可以達到同時間，獨立地探索在不同初始條件下的構像空間，進而進行比較，甚至是結合兩種獨立的brands (品牌？)
* Example：ATPase，ATP酶，又稱為三磷酸腺苷酶

## Why do we need molecular dynamics?
* 我們想要觀察的是原子尺度的行為
* 原子尺度的行為很難透過實驗觀察
* 想要更仔細的了解是什麼原因讓相似的分子與眾不同，這對於藥物的開發、材料開法，或是流行病的治療都有莫大的幫助
* MD 模擬還支援預測熱力學性質 (thermodynamic properties) 及機械性質 (mechanical properties)

## Time Scales in MD
* [數量級(時間)](https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%95%B0%E9%87%8F%E7%BA%A7_(%E6%97%B6%E9%97%B4)) & [數量級(長度)](https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%95%B0%E9%87%8F%E7%BA%A7_(%E9%95%BF%E5%BA%A6))
* 在這裡要講的是「時間尺度」再 MD 的意義
* 這張圖，縱軸是時間，橫軸是長度，在做模擬的時候，時間尺度也是考量的範圍，這樣講很抽象，舉個例子幫助感覺，像是如果我們想要觀察「分子震盪」他就是屬於時間短長度短的，因為分子震盪很快然後動的幅度又小，這樣就能比較理解時間尺度在模擬器中的意義
* 紫色這塊區域就是我們的原子模擬的區域，大約落在1~100奈秒(ns)，紅色的區域是粗顆粒的模擬，絕大多數的生物行為都坐落在紫色跟紅色的區域。

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