Computersimulering

Computermodellering og simulering

Det er ikke altid muligt at undersøge biofysiske fænomener direkte på den nanoskopiske skala. Begrænsningerne skyldes ofte måleudstyret ikke er følsomt nok eller størrelsen på det system der undersøges. Derudover sætter kompleksiteten af systemet, og den tidsskala fænomenet foregår på også begrænsninger på, hvad der er målbart. En måde at løse disse problemer på er ved at anvende computermodellering og simulering til at karakterisere sådanne systemer. Ved anvendelse af fysiske love såsom klassisk mekanik, termodynamik, statistisk mekanik etc. kombineret med eksperimentelt data bliver det muligt at simulere interaktioner på nanoskala med simple modelsystemer. Disse metoder kaldes ofte for “molecular dynamics” og de agere som et bindeled mellem praktiske eksperimenter i laboratoriet og den bagvedliggende teori. Dette muliggør undersøgelser af f.eks. nanoskopiske enheders / systemers egenskaber før de er blevet fremstillet.

Selvom ”molecular dynamics” er et vigtigt videnskabeligt værktøj har den også sine begrænsninger. Modellerne der anvendes til beregningerne er ofte baseret på klassisk mekanik i stedet for kvantemekanik, dels for at forenkle systemet og på grund af mangel af processorkraft. Disse begrænsninger medfører at de modeller der opnås ved disse beregninger, udgør en forenkling af systemet. Derudover er den nuværende processorkraft også med til at begrænse varigheden af simuleringen – de fleste videnskabelige simuleringer har en varighed fra nanosekunder til mikrosekunder. Selvom disse tidskalaer virker korte kan disse simuleringer tage alt fra CPU dage til CPU år at fuldføre.

Se eksempler på computersimuleringer i video galleriet. Mange af de processer der er vist i simulationerne kan være meget svære at se eksperimentielt, idet de ofte foregår på en meget lille størrelsesskala eller foregår så hurtigt de ikke kan måles. Dette er nogle af grundene til hvorfor forskere anvender computer simulationer til at opnå viden om dynamikken bag processerne.

Vand er tilstede i alle simulationerne men er blevet gjort usynligt for processen synlig. Filmene har en varighed fra et par hundrede nanosekunder til nogle få mikrosekunder, men den eksakte tidsskala er svær at bestemme. Det tager omkring en uge for en computer med en enkelt processor at fuldføre hver eneste simulation. 

En computersimulation af en lipid membran bestående af POPC og oxideret PazePC. Fordi acylkæden på PazePC er blevet oxideret til en carboxylsyre, som er hydrofil ("vand elskende") vil den bevæge sig fra det hydrofobe ("vandafskyende") miljø midt i membranen ud i den vandige fase, der omgiver membranen [Computer simulering : Himanshu Khandelia].