Etkileşim Potansiyelleri Nedir?

Bilgisayar simülasyonları, moleküler sistemlerin yapısı ve dinamiğinin aydınlatılmasında detaylı bilgilere ulaşma şansı sağlamaktadır. Simülasyonların kullanımındaki en temel özellik, modellenen sistemdeki atomlar arası etkileşimleri en iyi şekilde açıklayan potansiyel fonksiyonlarının ihtiyacıdır.

Bugün kullanılan moleküler modelleme kuvvet alanlarının çoğu, sistem içerisindeki moleküler arası ve molekül içi kuvvetlerin nispeten basit bir dört-bileşenli resmi olarak yorumlanabilir. Bunlar, bağların ve açıların ‘referans’ veya ‘denge’ değerlerinden sapması ve bağlar döndükçe enerinin nasıl değiştiğini anlatan bir fonksiyon ve son olarak kuvvet alanı sistemin bağ yapmayan bölümleri arasındaki etkileşimi açıklayan terimleri de içermektedir. Daha gelişmiş kuvvet alanları ekstra terimler içerebilirler fakat genellikle bu dört bileşenden oluşmaktadır.

Bağımsız moleküller ve atomlar, ayrı moleküler türlerin yapısını belirlemede önemli bir rol oynayan bağ-olmayan kuvvetlerle etkileşirler. Bu etkileşimler atomlar arasındaki belirli bir bağ ilişkisine bağlı değildir. Bunlar uzaklığa bağlı etkileşimlerdir ve genellikle uzaklığın tersinin belirli bir kuvvetinin bir fonksiyonu olarak modellenir. Bir kuvvet alanındaki bağolmayan terimler genellikle iki grupta incelenir; bunlardan biri elektrostatik etkileşimler, diğeri ise van der Waals etkileşimleridir.

Elektronegatif elementler, daha az elektronegatif olanlara göre elektronları daha çok çekerler ve bir molekülde eşit olmayan bir yük dağılımına sebep olurlar. İki molekül arasındaki (veya aynı molekülün farklı kısımları arasındaki) elektrostatik etkileşim, uç yük çiftlerinin arasındaki etkileşimlerin toplamı olarak Coulomb kanunu kullanılarak hesaplanır.

Bir sistemdeki bütün bağ olmayan etkileşimler elektrostatik etkileşimlerden ibaret değildir. Van der Waals etkileşimleri doğadaki önemli etkileşimlerden biridir. Atomlar ve moleküller arasındaki itme ve çekme etkileşimleri kuantum mekaniği kullanılarak da hesaplanabilir fakat böyle bir hesaplama denemekten çok uzaktır çünkü çok büyük hesaplamalar gerektirmektedir. Bir kuvvet alanı metodu ile basit bir empirik tanım ile hızlıca hesaplanabilir. Modellenmek istenen birçok sistem için belirlenmesi gereken çok sayıdaki van der Waals etkileşimleri sonucunda bir fonksiyon ihtiyacı doğmuştur. van der Waals potansiyel fonksiyonlarından en çok bilineni Lennard-Jones 12-6 fonksiyonudur ve iki atom arasındaki etkileşim için aşağıdaki formu almıştır.

Lennard-Jones 12-6 potansiyeli sadece iki ayarlanabilir parametre içermektedir: çarpışma çapı σ ve kuyu derinliği ε. Bu parametreler grafiksel olarak Şekil 2.8’deki gibi gösterilmektedir. Lennard-Jones potansiyeli, r-6 ile değişen bir çekim kısmı ve r-12 ile değişen itme bölümüyle karakterize edilmektedir.