Desenvolvimento de algoritmos para simulação e análise da dinâmica molecular em sistemas complexos

Abstract

Esta pesquisa, vinculada ao terceiro ano do curso de informática da Etec Prof. Dr. Antônio Eufrásio de Toledo, tem como objetivo primordial o desenvolvimento de algoritmos que devem, a partir de parâmetros espaciais/temporais e campos de interação entre os corpúsculos definidos, simular ambientes moleculares complexos, extrair informações relevantes ao estudo de tal sistema específico e prover o entendimento de como o sistema transforma-se ao longo do tempo. A física é uma das ciências que foi mais beneficiada com o advento da computação, a utilização de ambientes computacionais para simulação e análise de fenômenos físicos é de suma importância. Um dos escopos da física computacional é a Dinâmica Molecular, responsável pela simulação de ambientes moleculares, tendo em vista que as propriedades microscópicas do universo dão origem a realidade macroscópica, é importantíssimo desenvolver métodos para analisar o que ocorre no reino mais básico da natureza. A abordagem da pesquisa é a quantitativa, já que se recorre a matemática para a representação dos fenômenos. O tipo da pesquisa é a descritiva, visto que os algoritmos têm como objetivo descrever determinados sistemas físicos. A pesquisa resultou no desenvolvimento de uma série de algoritmos, baseados em Python/MDAnalysis, em que se importam arquivos referentes as condições iniciais do sistema, topologia e trajetória, e simulam aquela realidade, utilizando conceitosde Mecânica Clássica e Eletromagnetismo, extraindo os parâmetros mais relevantes para a caracterização dos fenômenos. Os algoritmos desenvolvidos revelam que, a partir de estruturas fundamentais, o macro surge.Ao analisar parte da interação entre moléculas de determinada substância, informações importantes são reveladas sobre a natureza do objeto estudado. Além disso, os resultados obtidos durante a execução dos algoritmos sugerem que as forças de Van der Waals possuam uma grande importância ao longo do tempo. Dado que os sistemas são caóticos, qualquer minima alteração nas condições gera resultados expressivos.

This research, linked to the third year of the computer science course at Etec Prof. Dr. Antônio Eufrásio de Toledo, has as its primary objective the development of algorithms that must, based on spatial/temporal parameters and interaction fields between defined corpuscles, simulate complex molecular environments, extract information relevant to the study of such specific system and provide an understanding of how the system changes over time. Physics is one of the sciences that has benefited most from the advent of computing, the use of computational environments for the simulation and analysis of physical phenomena is of utmost importance. One of the scopes of computational physics is Molecular Dynamics, responsible for the simulation of molecular environments, considering that the microscopic properties of the universe give rise to macroscopic reality, it is extremely important to develop methods to analyze what occurs in the most basic realm of nature. The research approach is quantitative, since mathematics is used to represent the phenomena. The type of research is descriptive, since the algorithms aim to describe certain physical systems. The research resulted in the development of a series of algorithms, based on Python/MDAnalysis, in which files related to the system's initial conditions, topology and trajectory are imported and simulated using concepts from Classical Mechanics and Electromagnetism, extracting the most relevant parameters for characterizing the phenomena. The algorithms developed reveal that, from fundamental structures, the macro emerges. By analyzing part of the interaction between molecules of a given substance, important information is revealed about the nature of the object studied. Furthermore, the results obtained during the execution of the algorithms suggest that Van der Waals forces have great importance over time. Given that the systems are chaotic, any slight change in the conditions generates expressive results.