Лаборатория МДС
Главная > Исследования

Исследования

Метод Вороного-Делоне

   
    Геометрические идеи Вороного и Делоне оказались чрезвычайно полезными для анализа структу
ры и межмолекулярных пустот. Они дают способ выделения областей пространства «приписанных» к атому (области Вороного) и помогают разбить систему атомов на простейшие группы (симплексы Делоне).
Основы метода изложены в
книге - Н.Н. Медведев, «Метод Вороного-Делоне в исследовании структуры некристаллических систем» СО РАН, Новосибирск, 2000.
Обобщение метода на атомы разного размера описано в статье 
Medvedev et al. J. of Comput. Chem. Vol. 27, 1676, 2006.
Некоторые структурные применения метода обсуждаются в главе:
A.V.Anikeenko, et al..  Shapes of Delaunay Simplexes and Structural Analysis of Hard Sphere Packings in book  Generalized Voronoi Diagram: A Geometry-Based Approach to Computational Intelligence.  Ed. Marina L. Gavrilova, Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2008.
Пример анализа межмолекулярных пустот можно найти в статье
:  M.G. Alinchenko et al.  Morphology of Voids in Molecular Systems. A Voronoi-Delaunay Analysis of a Simulated DMPC Membrane.  J. Phys. Chem. B, 108 (49), 19056 -19067, 2004.
Возможности для изучения растворов  обсуждаются в работе:
  V.P. Voloshin, et al. Volumetric Properties of Hydrated Peptides: Voronoi-Delaunay Analysis of Molecular Simulation Runs.  J. Phys. Chem B, 2011.
Некоторые наши программы, реализующие метод, доступны на
сайте.

Общие закономерности заполнения пространства сферами

     Модель твердых сфер отражает основные структурные черты жидкой, стеклообразной и кристаллической фазы, в частности помогает понять сущность фазовых переходов, кристаллизации, плавления и стеклования.  Вместе с тем, до сих пор остаются непонятыми геометрические особенности заполнения пространства сферами при разных плотностях. Исследуются модели упаковок твердых шаров в широком диапазоне плотностей, от рыхлых неупорядоченных до плотнейших кристаллических, включая окрестность Берналовской плотности (примерно 64% объема заполнено шарами), являющейся пределом для существования некристаллической упаковки. Результаты наших исследований обсуждаются в публикациях:  Phys. Rev. Focus (2007)A.V. Anikeenko et al. PRE 77, 031101 (2008),   А.В. Аникеенко, Н.Н. Медведев, ЖСХ, 2009, Том 50, №4, с. 787-794. Для плотных неупорядоченных упаковок характерен «политетраэдрический» принцип организации структуры. Однако он исчерпывается при достижении Берналовского предела. Дальнейшее повышение плотности возможно только за счет изменения принципа упаковки, а именно, допуская возникновение кристаллического расположения сфер.

 

Структура воды и водных растворов

      Интерес к структуре воды и ее растворам общеизвестен. Благодаря компьютерному моделированию, в последние годы здесь получены новые важные результаты.  Изменчивость и адаптивность  сетки водородных связей является причиной многих «аномальных» свойств, как чистой воды при низких температурах, так и водных растворов различных гидрофобных и гидрофильных молекул. Особенности строения различных фаз переохлажденной воды, полученных в компьютерном моделировании, мы исследовали в работе P. Jedlovszky,  et. al. J.Chem. Phys. 128, 244503, 2008.
Для анализа моделей растворов удобно использовать метод Вороного-Делоне, который позволяет каждому атому (молекуле) приписать свой объем. Это открывает возможности для эффективного расчета  волюметрические характеристики растворов простых и сложных молекул,  V.P. Voloshin, et al., J. Phys. Chem. B, 2011.
Ведутся также работы по конструированию модельного потенциала водородной связи на основе экспериментальных данных по колебательным спектрам воды. Ю.Я.Ефимов,  ЖСХ 51(3) с. 501-508 (2010).

 

Нано-кластеры и структурные неоднородности

 

     Нано-кластеры и структурные неоднородности нанометрового масштаба являются объектами пристального изучения в современной науке. Обнаружение малых зародышей кристаллической фазы в компьютерной модели жидкости или стекла или, наоборот, дефектов в кристалле является непростой задачей. Традиционные методы, например использование парных корреляционных функций, оказываются неэффективным для таких целей. Мы предлагаем использовать симплексы Делоне. В области дефекта они имеют иную форму, чем в областях со структурой кристалла. Наоборот, кластеры из симплексов, свойственных кристаллической структуре внутри жидкости или стекла представляют собой зародыши кристаллической фазы. Выделяя симплексы соответствующей формы или структурного типа удается выявить и исследовать такие объекты. A.V. Anikeenko, et al. Journal of Structural Chemistry, Vol.47, (2) 267-276 (2006).    V.Anikeenko, et al..  in book  Generalized Voronoi Diagram: A Geometry-Based Approach to Computational Intelligence.  Ed. Marina L. Gavrilova, Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2008. 


Поры и межмолекулярные пустоты

       Пустое межатомное пространство дает дополнительную информацию, комплементарную к атом-атомному описанию структуры. Характерные черты строения сложных молекулярных систем (молекулярные жидкости, биологические молекулы, т.п.) иногда легче понять рассматривая межмолекулярные пустоты, чем корреляции между атомами. В частности, вместо традиционной атом-атомной функции радиального распределения можно рассчитывать аналогичную функцию для межатомных пустот: M.G. Alinchenko, et al. Journal of Structural Chemistry, Vol. 47, Supplement, pp. S119-S125, 2006.  

Анализ самих пустот представляет важную, самостоятельную задачу. Здесь также удобно использовать симплексы Делоне. Каждый из них представляет элементарную межатомную полость, а любая большая полость составлена из элементарных.  Таким образом, кластеры из симплексов Делоне, доступных для зонда заданного размера, представляют искомые пустоты внутри данной молекулярной системы. Для липидных бислоев изучены пустоты в зависимости от глубины расположения:  Alinchenko M.G., et al. J. Phys. Chem. B, 109 (34), 16490-16502 (2005). Исследованы пустоты образующиеся в модельных частицах  высокоатмосферной сажи: G. Hantal et al. J. Chem. Phys. 133, 144702, 2010.


powered by CMSimple - template by cmsimple-styles.com