分子動力学法
等温定圧集団(アンサンブル)では、物質の量(N)、圧力(P)、温度(T)が保存される。サーモスタットに加えて、バロスタット(圧力調整器)が必要である。NPTアンサンブルは、気温と大気圧に開放されているフラスコを用いた実験室条件に最も密接に対応している。
生物膜のシミュレーションでは、等方性圧力制御は適切ではない。脂質二重膜については、圧力制御は定膜面積(NPAT、Aは面積)あるいは定表面張力γ(NPγT)下で行なわれる。
MDは自然の力をアニメーションすることによって未来を予測する、原子スケールの分子の運動についての理解を可能にする「数による統計力学」や「ニュートン力学のラプラス的視点」とも称されている。
MDシミュレーションでは等温、定圧、等温・定圧、定エネルギー、定積、定ケミカルポテンシャル、グランドカノニカルといった様々なアンサンブル(統計集団)の計算が可能である。また、結合長や位置の固定など様々な拘束条件を付加することもできる。計算対象は、バルク、表面、界面、クラスターなど多様な系を扱える。
MD法で扱える系の規模としては、最大で数億原子からなる系の計算例がある。通常の計算規模は数百から数万原子(分子、粒子)程度である。
通常、ポテンシャル関数は、原子-原子の二体ポテンシャルを組み合わせて表現し、これを計算中に変更しない。そのため化学反応のように、原子間結合の生成・開裂を表現するには、何らかの追加の工夫が必要となる。また、ポテンシャルは経験的・半経験的なパラメータから求められる。
こうしたポテンシャル面の精度の問題を回避するため、ポテンシャル面を電子状態の第一原理計算から求める手法もある。このような方法は、第一原理分子動力学法〔量子(ab initio)分子動力学法〕と呼ばれる。この方法では、ポテンシャル面がより正確なものになるが、扱える原子数は格段に減る(スーパーコンピュータを利用しても、最大で約千個程度)。
また第一原理分子動力学法の多くは、電子状態が常に基底状態であることを前提としているものが多く、電子励起状態や電子状態間の非断熱遷移を含む現象の記述は、こうした手法であってもなお困難である。
分子動力学は多くの科学分野で使われている。
単純化された生物学的折り畳み過程の最初のMDシミュレーションは1975年に発表された。Nature誌で発表されたそのシミュレーションは現代のタンパク質折り畳み計算の広大な領域への道を開いた。
生物学的過程の最初のMDシミュレーションは1976年に発表された。Nature誌で発表されたそのシミュレーションはタンパク質の運動が単なる飾りではなく機能に必須であることの理解への道を開いた。
MDはheat spike regimeにおける衝突カスケード、すなわちエネルギー中性子とイオン放射が固体および固体表面上で持つ効果を取り扱うための標準的手法である。
MDシミュレーションはゴーシェ病の原因である最も一般的なタンパク質変異N370Sの分子基盤を予測することにうまく応用された。後続の論文では、これらの目隠し予測が同じ変異についての実験結果と驚く程に高い相関を見せることが示された。
MDシミュレーションは金属表面上の水薄膜の分離圧に対する表面電荷の影響について調べるために用いられている。
MDシミュレーションは透過型電子顕微鏡の画像特徴を理解するためにマルチスライス画像シミュレーションと共に用いられる。
以下の生物物理学的例は非常に大きな系(完全なウイルス)あるいは非常に長いシミュレーション時間(1.112ミリ秒まで)のシミュレーションを行うための注目に値する成果を示している。
完全なサテライトタバコモザイクウイルス(STMV)のMDシミュレーション(2006年、規模: 100万原子、シミュレーション時間: 50ナノ秒、プログラム: NAMD)。