Зарождение идеи о численном моделировании движения молекул в СССР имеет общие черты с тем, как это складывалось за океаном. Во-первых, идея и первая реализация произошла в институтах, основной задачей которых были закрытые разработки (так, ИПМ АН СССР до 1966 года функционировал в секретном режиме). Во-вторых, первые научные вопросы, на которые хотели ответить исследователи, были связаны с поведением неупорядоченных сред — жидкостей, теоретическое исследование которых аналитическими методами сложнее, чем кристаллических материалов или газов.
Итак, в Советском Союзе идея об использовании ЭВМ для численного моделирования движения молекул впервые была сформулирована и реализована Алланом Георгиевичем Гривцовым (1937–1991) и Эммануилом Эльевичем Шнолем (1928–2014). По воспоминаниям соратника А. Г. Гривцова Г. Г. Маленкова, размышлять о возможности использования ЭВМ для решения задачи движения молекул, и что таким образом можно исследовать жидкости, Аллан Георгиевич начал, еще будучи студентом физического факультета МГУ, кафедру биофизики которого он закончил в 1965 году. Уже став сотрудником Института фотосинтеза в г. Пущино весной 1966, А. Г. Гривцов выступил с серией докладов в ИПМ на неофициальном семинаре, посвященном математическим вопросам естествознания, где рассказал о современных на тот момент теориях жидкости.
Пущино — наукоград, построенный с нуля в конце 1950-х – начале 1960-х годов в Московской области для создания Научного центра биологических исследований АН СССР, и объединивший 9 институтов академии наук в области биофизики, молекулярной биологии и смежных наук.
Теории жидкостей несовершенны и не всегда согласуются друг с другом. А нельзя ли „посмотреть“ на структуру жидкости, рассчитав взаимодействие и движение ее молекул с помощью вычислительной машины? Мысль моя, как видно, была наивной; никаких работ в этом направлении я не знал и был лишь наслышан (из популярных статей) о сложной структуре воды.
— Мысль Э. Э. Шноля после семинара А. Г. Гривцова в ИПМ, сохраненная в воспоминаниях Э. Э. Шноля
Эта дискуссия в дальнейшем переросла в сотрудничество. Уже через год совместной работы в отчете «О численном моделировании движения молекул жидкости» (1967) Гривцов и Шноль изложили революционную для того времени идею моделирования движения небольшого числа молекул в приповерхностных слоях жидкости. Первые расчеты выполнялись на ЭВМ Стрела. Осмыслению задачи помогли находки в зарубежных журналах — в том числе «та самая» статья 1957 года Олдера и Вайнрайта.
Результаты работ Аллана Гривцова по моделированию методом МД были представлены в нескольких сборниках трудов в 1969 и 1970 годах. Главная сила работ происходила из слабостей метода: в те времена возможно было рассчитывать траектории движения атомов только для небольших систем. Поэтому Гривцов изначально сфокусировался на процессе, в котором участвует порядка сотни молекул — взаимодействии молекул одноатомной жидкости с плоской поверхностью. Ученый смог узнать детали, скрытые от глаз экспериментаторов: он проанализировал численные результаты и уже по ним «увидел», как ведет себя одноатомная жидкость вблизи поверхности. Например, было выяснено, что молекулы жидкости упорядочиваются у отражающей границы, выстраиваются в кристаллоподобные структуры. При этом температура «кристаллизации» у поверхности превышала температуру кристаллизации в объеме.
В 1970 г. Аллан Гривцов издал первую журнальную статью в СССР, в которой использовался метод молекулярной динамики: «О структурировании жидкостей у поверхности твердого тела». Возможности МД позволяли проводить численные эксперименты при различных значениях параметров систем: температуры, отношением числа частиц к объему (иначе говоря, плотности). Проведенный Гривцовым анализ показал, что жидкость в системе приобретает слоистую структуру — этот вывод согласовывался и с предыдущими работами. Варьируя параметры, ученый смог смоделировать случай, не рассмотренный ранее, когда вблизи плоской поверхности находились молекулы пара, а в глубине — молекулы жидкости. При помощи численного эксперимента ученому удалось воспроизвести переходный слой между жидкостью и паром.
За авторством Гривцова и Шноля в 1971 году были изданы два препринта Института прикладной математики: о структурировании жидкости у отражающей границы и об ее адсорбции. Эти работы входили в цикл «Численные эксперименты по моделированию движения молекул» и составляли первую и вторую части. В этих препринтах метод МД (который А. А. Гривцов предпочитал называть численными экспериментами динамического типа — ЧЭДТ) позиционировался Гривцовым и Шнолем именно как метод «численных экспериментов».
А. Г. Гривцов всегда уделял большое внимание строгости и корректности применения методов компьютерного моделирования или „имитации“, как любил он говорить. Дело в том, что в англоязычной литературе эта деятельность обычно называется „computer simulation“. Русский эквивалент „симуляция“ вызывает негативные ассоциации, поэтому А. Г. Гривцов предпочитал говорить об имитации или численных экспериментах. Обычно употребляемый термин „моделирование“ слишком широк и недостаточно конкретен.
— Из воспоминаний Г.Г. Маленкова
Чуть ранее, в 1969 году, к группе присоединился Николай Кириллович Балабаев, тогда еще студент МФТИ, который выбрал Эммануила Шноля в качестве научного руководителя для написания диплома. Выпускная работа, а вместе с ней и третья, заключительная, часть цикла «Численные эксперименты по моделированию движения молекул» (1972), содержали совершенно новые результаты.
Балабаев, Шноль и Гривцов провели первое в мире моделирование динамики полимера. Полимер состоял из атомов, соединенных абсолютно жесткими связями — то есть, расстояние между соединенными атомами было постоянно. Такую систему можно представить себе как шарики-атомы, скрепленные жесткими стержнями-связями. Для изучения молекул в приближении жестких связей был разработан оригинальный алгоритм численного решения уравнений движения.
При помощи метода МД ученым удалось изучить несколько моделей полимеров разной длины. Все полимеры рассматривались изолированно, то есть в отсутствии молекул растворителя, в вакууме. Описанный в препринте полимер состоял из 26 атомов (было рассчитано ~300 пс динамики системы, включающей ~60 000 счетных шагов). Работы по моделированию первого полимера проводились уже на БЭСМ-6, а программа писалась на автокоде БЕМШ — аналоге языка ассемблер.
Главный результат — открытие эффекта «горячих концов» — актуален до сих пор. Ученые обнаружили, что концы полимера движутся в среднем на 15–20% быстрее, чем атомы в середине. Эффект «горячих концов» наблюдался и для более длинных полимеров, состоящих из 101 атома. Полученные результаты позволили лучше понять особенности динамического поведения реальных молекул, для которых справедливо приближение жестких связей, — например, для полиэтилена. Тем самым, в СССР было положено начало компьютерному моделированию полимеров — обширного класса соединений, к которому относятся нуклеиновые кислоты, углеводы, белки. В 1975 году результаты препринта о моделировании полимера были выпущены в виде статьи в журнале Доклады Академии наук.
А больше о том, как ученые (и не абы какие, а наши (!) ученые) постигали тайны молекулярной динамики, читайте в нашей новой статье.