CC BY
1Физика Водных Растворов
Приглашенный доклад
ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ И ВЗАИМНОЙ ОРИЕНТАЦИИ МОЛЕКУЛ В КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЯХ ВОДНЫХ
РАСТВОРОВ
Волошин В.П.
Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск е-mail: [email protected]
Движение любой молекулы можно представить в виде суммы двух формально независимых движений - перемещения центра масс молекулы и вращения вокруг оси, проходящей через этот центр. Взаимное расположение центров масс молекул и их перемещение активно изучается как экспериментально, так и в ходе компьютерного моделирования. Гораздо меньше внимания оказывают вращению молекул и их взаимной ориентации. Между тем для их описания можно использовать метод, подобный тому, который используется для пространственных положений и перемещений.
Для реализации этого метода для молекул каждого типа должна быть задана собственная декартовая система координат. Ориентацию молекулы, в которой её собственные оси координат совпадают с осями координат модели в целом, назовём базовой. Любая другая ориентация описывается параметрами вращения, переводящего молекулу из базовой ориентации в текущую. Эти параметры вращения мы будем использовать в качестве координат пространства ориентаций. Базовая конфигурация, описываемая параметрами нулевого вращения, служит для этого пространства началом координат. Наиболее удобно оказалось описывать вращения с помощью кватернионов [1] - модифицированных комплексных чисел, содержащих одну действительную компоненту и три мнимые. Ориентация молекулы в таком пространстве описывается кватернионом вращения, переводящего эту молекулу из базовой ориентации в текущую. Сравнивая кватернионы начальной и конечной ориентации, легко вычислить кватернион вращения, переводящего молекулу из начальной ориентации в конечную. Наглядность описания вращения при помощи кватерниона заключается в том, что три мнимые компоненты кватерниона описывают ось вращения, а действительная компонента равна cos(ф/2), где ф — угол вращения. Таким образом, подобно тому, как положение и перемещение молекул в пространстве описывается радиус-вектором и вектором перемещения, ориентация молекулы и её вращение в пространстве ориентаций описывается кватернионом ориентации и кватернионом вращения.
С помощью такого метода нами были изучены корреляции поступательного и вращательного движений молекул воды [2]. Определены угловые скорости этих молекул, рассчитаны их автокорреляционные функции. Спектры этих функций на интервале от 200 до 1000 см-1 хорошо воспроизводят соответствующие участки экспериментальных КР-спектров воды [4]. Использование формулы Грина-Кубо позволило рассчитать коэффициенты вращательной диффузии воды при разных давлениях и температурах.
Помимо этого, нами были определены и описаны основные ориентации молекул воды на разных расстояниях от поверхности белка [3] и липидной мембраны, а также взаимная ориентация молекул в водных растворах ТВА
[1] Волошин В.П., Наберухин Ю.И. «Описание вращательных движений молекул в компьютерных моделях воды с помощью кватернионов», РЭНСИТ, 12(1):69-80, (2020)
[2] Волошин В.П., «Корреляция поступательного и вращательного движения молекул воды в молекулярно-динамических моделях», РЭНСИТ, 13(2):141-148, (2021)
[3] Волошин В.П., Медведев Н.Н., «Ориентация молекул воды вблизи глобулярного белка», Журн. структ. химии, т. 62, №5, с. 745-757,
[4] Волошин В.П., Наберухин Ю.И., «Автокорреляционные функции поступательной и вращательной скорости в молекулярно-динамических моделях воды и их спектры», Журн. структ. химии, т.64, №2, 105637, (2023)
и TMAO.
Литература:
(2021)
