Molekulardynamik-Simulationen
Molecular Dynamics Simulations

Simulationsmethoden:

• Molekulardynamik-Methoden
• Monte Carlo Methode
• Brown'sche Dynamik-Methode
• Kraftfeldbeschreibung von Molekülen
• Randbedingungen
• Temperatur- und Druckkontrolle
• Thermodynamische und kinetische Größen aus Simulationen
• Nicht-Gleichgewichts-Simulationen
• Gemischte quantenmechanische/klassische Simulationen

Anwendungen:

• Einfache Flüssigkeiten; Mischungen
• Biomoleküle: Dynamik von Proteinen und Peptiden
• Systeme mit Grenzflächen    

Nach der erfolgreichen Teilnahme an der Vorlesung und den Übungen sind die Studierenden in der Lage

• die Vorbereitung, Durchführung und Analyse von Molekülsimulationen zu verstehen, selbstständig nachzuvollziehen und zu bewerten.
• Moleküldynamik, Monte Carlo oder Brown’sche Dynamik Simulationen an Molekülen selbstständig durchzuführen.
• thermodynamische und kinetische Größen aus Simulationen zu extrahieren.
• ein Verständnis der Dynamik von Vielteilchensystemen zu entwickeln und zu vertiefen.
• Fragestellungen, die durch Simulationsstudien untersucht werden können, zu entwickeln.
• für gestellte Aufgaben die geeigneten Molekülsimulationsverfahren auszuwählen.

Keine Vorkenntnisse nötig, die über die Zulassungsvoraussetzungen zum Masterstudium hinausgehen.

In der Vorlesung werden die Inhalte durch Vortrag der theoretischen Grundlagen und deren experimentellen Umsetzungen erläutert und durch anschauliche Beispiele verständlich gemacht. Hoher Wert wird auf die Anregung interaktiver Diskussion mit den Studierenden und unter den Studierenden über das gerade Erlernte gelegt. Die Vorlesungsunterlagen enthalten Hyperlinks auf die Originalarbeiten, die den Einstieg in die eigenständige Literaturrecherche fördern sollen.

In der Übung werden die Studierenden schrittweise an den Umgang mit Molekülsimulationsprogrammen herangeführt. Anhand von Beispielen werden Lerninhalte aus der Vorlesung vertieft und der selbstständige Umgang mit Simulationsprogrammen und state-of-the-art Analyse-Verfahren eingeübt. Die Studierenden werden in die Lage versetzt das Gelernte selbständig nachzuvollziehen und Simulationsansätze auf relevante Fragestellungen selbstständig anzuwenden.

Tafelvortrag, Vorlesungsunterlagen, Beamerpräsentation, Übungen am Rechner, Internet-Seite zum Kurs

• D. Frenkel, B. Smit, Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications, Academic Press. 2014.
• M.P. Allen, D.J. Tildesley, Computer simulation of liquids, Oxford University Press, 1999.
• Mark E. Tuckerman, Statistical Mechanics: Theory and Molecular Simulation, Oxford Graduate Press, 2016.
• Tamar Schlick, Molecular Modeling and Simulation: an Interdisciplinary Guide, Springer Science, 2006.
• A. Leach, Introduction to Molecular Modelling, Oxford Academic Press. 2016.
• Griebel, Knapek, Zumbusch, Caglar, Numerische Simulation in der Moleküldynamik, Springer Press. 2014.

Es findet eine mündliche Prüfung von 30 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen, Diskussionen anhand von Skizzen und einfachen Formeln überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Was ist ein symplektischer Algorithmus zur Simulation der Moleküldynamik?
• Was versteht man unter dem Begriff coarse-graining eines Simulationssystems?
• Was sind bindende Wechselwirkungen in einem Kraftfeldmodell?

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.