विलायक प्रारूप

कम्प्यूटेशनल रसायन विज्ञान में, विलायक प्रारूप कम्प्यूटेशनल विधि है, जो विलायक के संघनित प्रकिया के व्यवहार के लिए उत्तरदायी है। विलायक प्रारूप विलयन में होने वाली प्रतिक्रियाओं और प्रक्रियाओं पर सिमुलेशन और थर्मोडायनामिक गणना को सक्षम करते हैं। इनमें जैविक, रासायनिक और पर्यावरणीय प्रक्रियाएँ सम्मिलित हैं।इस प्रकार की गणनाओं से श्रेष्ठ विचार के माध्यम से होने वाली भौतिक प्रक्रियाओं के विषय में नई भविष्यवाणियां हो सकती हैं।

वैज्ञानिक साहित्य में विलायक प्रारूप का बड़े स्तर पर परीक्षण और समीक्षा की गई है। विभिन्न प्रारूपों को सामान्यतः दो वर्गों में विभाजित किया जा सकता है, स्पष्ट और अंतर्निहित प्रारूप, जिनमें से सभी के अपने लाभ और हानि हैं। अंतर्निहित प्रारूप सामान्यतः कम्प्यूटेशनल रूप से कुशल होते हैं और विलायक के व्यवहार का उचित विवरण प्रदान कर सकते हैं, किन्तु विलेय अणु के निकट विलायक घनत्व में स्थानीय प्रारूप की गणना करने में विफल होते हैं। घनत्व में प्रारूप का व्यवहार किसी विलेय के चारों ओर विलायक के क्रम के कारण होता है और विशेष रूप से तब प्रचलित होता है जब कोई पानी को विलायक के रूप में मानता है। स्पष्ट प्रारूप प्रायः कम्प्यूटेशनल रूप से कम अल्पव्ययी होते हैं, किन्तु विलायक का भौतिक और स्थानिक रूप से विलयन विवरण प्रदान कर सकता हैं। चूंकि, इनमें से कई स्पष्ट प्रारूप कम्प्यूटेशनल रूप से आवश्यक हैं और कुछ प्रयोगात्मक परिणामों को पुन: उत्पन्न करने में विफल हो सकते हैं, प्रायः कुछ फिटिंग विधियों और पैरामीट्रिज़ेशन के कारण करते है। हाइब्रिड पद्धतियाँ अन्य विकल्प हैं। इन विधियों में विलायक के कम से कम कुछ स्थानिक संकल्प को बनाए रखते हुए कम्प्यूटेशनल व्यय को कम करने के लक्ष्य के साथ अंतर्निहित और स्पष्ट विषयो को सम्मिलित किया गया है। इन विधियों को उचित रूप से उपयोग करने के लिए अधिक अनुभव की आवश्यकता हो सकती है और प्रायः गणना के पश्चात सुधार के नियम सम्मिलित होते हैं।

निहित प्रारूप

Main article: निहित विलयन

अंतर्निहित विलायक या कन्टिन्यूम विलायक, ऐसे प्रारूप हैं जिनमें कोई इस धारणा को स्वीकार करता है, कि अंतर्निहित विलायक द्वारा अणुओं को सजातीय ध्रुवीकरण माध्यम द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है, जब तक कि यह माध्यम, उत्तम समीपता के लिए, समकक्ष गुण देता है। कोई स्पष्ट विलायक अणु उपस्थित नहीं हैं और इसलिए स्पष्ट विलायक निर्देशांक नहीं दिए गए हैं। कॉन्टिनम प्रारूप थर्मली औसत और सामान्यतः आइसोट्रोपिक विलायक पर विचार करते हैं, यही कारण है कि कई स्थितियों में उचित त्रुटिहीनता के साथ विलायक का प्रतिनिधित्व करने के लिए केवल कुछ ही पैरामीटर का उपयोग किया जा सकता है। मुख्य पैरामीटर अचालक स्थिरांक (ε) है, इसे प्रायः आगे के पैरामीटर के साथ पूरक किया जाता है, उदाहरण के लिए विलायक सतह स्ट्रेस, अचालक स्थिरांक वह मान है जो विलायक की ध्रुवीकरण की श्रेणी को परिभाषित करने के लिए उत्तरदायी है। सामान्यतः, अंतर्निहित विलायक के लिए, टाइल वाली छिद्र में विलेय को घेरकर गणना आगे बढ़ती है (नीचे चित्र देखें)। विलेय युक्त छिद्र विलायक का वर्णन करने वाले सजातीय ध्रुवीकरण कन्टिन्यूम में अंतर्निहित है। विलेय का आवेश वितरण छिद्र की सतह पर निरंतर अचालक क्षेत्र से मिलता है और निकट के माध्यम को ध्रुवीकृत करता है, जिससे विलेय पर ध्रुवीकरण में परिवर्तन होता है। यह प्रतिक्रिया क्षमता, ध्रुवीकरण में परिवर्तन की प्रतिक्रिया को परिभाषित करता है। इस पुनरावर्ती प्रतिक्रिया क्षमता को फिर आत्म-संगति के लिए पुनरावृत्त किया जाता है। कॉन्टिनम प्रारूप का व्यापक उपयोग होता है, जिसमें बल क्षेत्र (रसायन विज्ञान) विधियों और क्वांटम रासायनिक स्थितियों में उपयोग सम्मिलित है। क्वांटम रसायन विज्ञान में, जहां आवेश वितरण एबी इनिटियो उपायों (हार्ट्री-फॉक (एचएफ), पोस्ट-एचएफऔर सघनता व्यावहारिक सिद्धांत (डीएफटी)) से आते हैं, अंतर्निहित विलायक प्रारूप विलायक को विलेय हैमिल्टनियन (क्वांटम यांत्रिकी) के लिए पार्टरबैशन के रूप में दर्शाते हैं। सामान्यतः, गणितीय रूप से, इन दृष्टिकोणों को निम्नलिखित उपायों से विचारित किया जा सकता है:

${\hat {H}}^{\mathrm {total} }(r_{\mathrm {m} })={\hat {H}}^{\mathrm {molecule} }(r_{\mathrm {m} })+{\hat {V}}^{\text{molecule + solvent}}(r_{\mathrm {m} })$

कन्टिन्यूम प्रारूप छिद्र छवि को ध्रुवीकृत करें - जियोमव्यू और गॉसियन का उपयोग करके बनाया गया

यहां ध्यान दें कि विलायक की अंतर्निहित प्रकृति उपरोक्त समीकरण में गणितीय रूप से दिखाई गई है, क्योंकि समीकरण केवल विलेय अणु निर्देशांक $(r_{\mathrm {m} })$ पर निर्भर है, दाहिनी ओर का दूसरा पद ${\hat {V}}^{\text{molecules + solvent}}$ इंटरेक्शन ऑपरेटरों से बना है। ये इंटरेक्शन ऑपरेटर गैसीय असीम रूप से भिन्न प्रणाली से कन्टिन्यूम विलयन में जाने के परिणामस्वरूप प्रणाली प्रतिक्रियाओं की गणना करते हैं। इसलिए यदि कोई किसी प्रतिक्रिया का प्रारूपिंग कर रहा है, तो यह प्रक्रिया गैस चरण में प्रतिक्रिया को प्रारूपिंग करने और इस प्रतिक्रिया में हैमिल्टनियन को पार्टरबैशन प्रदान करने के समान है।

$Q(m)=Q_{\mathrm {cavity} }+Q_{\mathrm {electrostatic} }+Q_{\mathrm {dispersion} }+Q_{\mathrm {repulsion} }$

$G=G_{\mathrm {cavity} }+G_{\mathrm {electrostatic} }+G_{\mathrm {dispersion} }+G_{\mathrm {repulsion} }+G_{\text{thermal motion}}$

शीर्ष: चार इंटरेक्शन ऑपरेटरों को सामान्यतः कन्टिन्यूम विलायक प्रारूप में माना जाता है। नीचे: कन्टिन्यूम विलायक प्रारूप से पांच योगदान देने वाले गिब्स ऊर्जा शब्द है। इंटरैक्शन ऑपरेटरों का स्पष्ट अर्थ होता है और वे भौतिक रूप से उत्तम रूप से परिभाषित होते हैं। प्रथम - छिद्र निर्माण; विलेय को रखने के लिए उपयुक्त आकार के विलायक में छिद्र बनाने के लिए उपयोग की गई ऊर्जा का लेखा-जोखा हैं। भौतिक रूप से, यह विलायक में रिक्त स्थान बनाते समय विलायक संरचना को संपीड़ित करने की ऊर्जा व्यय है। दूसरा पद - इलेक्ट्रोस्टैटिक ऊर्जा; यह शब्द विलेय और विलायक के ध्रुवीकरण से संबंधित है। तीसरा पद - क्वांटम यांत्रिक विनिमय प्रतिकर्षण के लिए अनुमान; अंतर्निहित विलायक को देखते हुए इस शब्द का अनुमान केवल उच्च स्तरीय सैद्धांतिक गणनाओं के आधार पर ही लगाया जा सकता है। चौथा पद - क्वांटम यांत्रिक विस्तृत ऊर्जा; विलायक आवेश वितरण के लिए औसत प्रक्रिया का उपयोग करके अनुमान लगाया जा सकता है।

ये प्रारूप तब उपयोगी योगदान दे सकते हैं, जब प्रारूप किए जा रहे विलायक को ही फलन द्वारा प्रारूप किया जा सकता है, अर्थात यह थोक से महत्वपूर्ण रूप से भिन्न नहीं होता है। वे अनुमानित विलायक प्रभावों को सम्मिलित करने का उपयोगी उपाये भी हो सकते हैं, जहां विलायक प्रतिक्रिया या प्रक्रिया में सक्रिय घटक नहीं है। इसके अतिरिक्त, यदि कंप्यूटर संसाधन सीमित हैं, तो स्पष्ट विलायक अणुओं के अतिरिक्त अंतर्निहित विलायक समीपता को उद्घाटित करके अधिक कम्प्यूटेशनल संसाधनों को बचाया जा सकता है। प्रतिक्रियाओं की कम्प्यूटेशनल परिक्षण में विलायक को प्रारूप करने और हाइड्रेशन गिब्स ऊर्जा (Δ_hyडीG) की भविष्यवाणी करने के लिए अंतर्निहित विलायक प्रारूप आरम्भ किए गए हैं)। कई मानक प्रारूप उपस्थित हैं और सभी का कई स्थितियों में सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है। ध्रुवीकरणीय कन्टिन्यूम प्रारूप (पीसीएम) सामान्यतः उपयोग किया जाने वाला अंतर्निहित प्रारूप है और इसने कई वेरिएंट को उत्पन्न किया है। यह प्रारूप पॉइसन-बोल्ट्ज़मैन समीकरण पर आधारित है, जो मूल पॉइसन समीकरण का विस्तार है। विलायक प्रारूप (एसएमएक्स) और घनत्व (एसएमडी) पर आधारित विलायक प्रारूप का भी व्यापक उपयोग देखा गया है। एसएमएक्स प्रारूप (जहाँ एक्स वर्ज़न दिखाने के लिए अल्फ़ान्यूमेरिक लेबल है) सामान्यीकृत बोर्न समीकरण पर आधारित हैं। यह पॉसों के समीकरण का अनुमान है, जो इच्छानुसार छिद्र आकृतियों के लिए उपयुक्त है। एसएमडी प्रारूप पीसीएम के अनुरूप पॉइसन-बोल्ट्ज़मैन समीकरण को हल करता है, किन्तु ऐसा विशेष रूप से पैरामीट्रिज्ड रेडी के समुच्चय का उपयोग करके करता है, जो छिद्र का निर्माण करता है। कॉस्मो विलायक प्रारूप अन्य लोकप्रिय अंतर्निहित विलायक प्रारूप है। यह प्रारूप स्केल्ड कंडक्टर सीमा स्थिति का उपयोग करता है, जो त्रुटिहीन अचालक समीकरणों के लिए तीव्र और दृढ़ अनुमान है और पीसीएम की अपेक्षा में बाहरी आवेश त्रुटियों को कम करता है। समीपता त्रुटिहीन विलयनों के लिए 0.07 kcal/mol के क्रम में मूल माध्य वर्ग विचलन की ओर ले जाता है।

स्पष्ट प्रारूप

Main article: वॉटर मॉडल

स्पष्ट विलायक प्रारूप स्पष्ट रूप से विलायक अणुओं का परिक्षण करते हैं (अर्थात निर्देशांक और सामान्यतः स्वतंत्रता की कम से कम कुछ आणविक श्रेणी सम्मिलित होती हैं)। यह अधिक सहज यथार्थवादी चित्र है जिसमें कन्टिन्यूम प्रारूप के विपरीत, विलेय के साथ प्रत्यक्ष, विशिष्ट विलायक परस्पर क्रियाशील होते हैं। ये प्रारूप सामान्यतः आणविक यांत्रिकी (एमएम) और गतिशीलता (एमडी) या मोंटे कार्लो विधि (एमसी) सिमुलेशन के अनुप्रयोग में होते हैं, चूंकि कुछ क्वांटम रासायनिक गणना विलायक समूहों का उपयोग करती हैं। आणविक गतिशीलता सिमुलेशन वैज्ञानिकों को भिन्न-भिन्न समय अंतराल में रासायनिक प्रणाली के समय विकास का अध्ययन करने की अनुमति प्रदान करता है। ये सिमुलेशन प्रायः आणविक यांत्रिकी बल क्षेत्र (रसायन विज्ञान) का उपयोग करते हैं जो सामान्यतः अनुभवजन्य, पैरामीट्रिज्ड फंक्शन होते हैं, जो बड़ी प्रणालियों के गुणों और गतियों की कुशलतापूर्वक गणना कर सकते हैं। पैरामीट्रिज़ेशन प्रायः उच्च स्तरीय सिद्धांत या प्रयोगात्मक डेटा के लिए होता है। एमसी सिमुलेशन प्रणाली को पार्टरबैशन के पश्चात ऊर्जा की गणना करके प्रणाली की संभावित ऊर्जा सतह की जानकारी ज्ञात करने की अनुमति प्रदान करती है। नए विकृत प्रणाली को स्वीकार करना है या नहीं, यह निर्णय लेने में एल्गोरिदम की सहायता के लिए पूर्व पैरामीटर परिभाषित किए गए हैं।

स्पष्ट विलायक स्नैप शॉट

सामान्यतः, बल क्षेत्र विधियां समान ऊर्जा मूल्यांकन कार्यात्मकताओं पर आधारित होती हैं, जिनमें सामान्यतः बॉन्ड स्ट्रेचिंग, कोण झुकने, मरोड़ और प्रतिकर्षण और विस्तृत का प्रतिनिधित्व करने वाले शब्द होते हैं, जैसे बकिंघम क्षमता या लेनार्ड-जोन्स क्षमता। सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले विलायक, जैसे कि पानी, में प्रायः आदर्श प्रारूप प्रस्तुत किए जाते हैं। ये आदर्शीकृत प्रारूप समग्र त्रुटिहीनता में महत्वपूर्ण हानि के बिना ऊर्जा गणना में मूल्यांकन की जाने वाली स्वतंत्रता की श्रेणी को कम करने की अनुमति देते हैं; चूंकि इससे कुछ प्रारूप केवल विशिष्ट परिस्थितियों में ही उपयोगी हो सकते हैं। TIPएक्सP जैसे प्रारूप (जहां एक्स पूर्णांक है, जो ऊर्जा मूल्यांकन के लिए उपयोग की जाने वाली साइटों की संख्या का विचार देता है) और पानी के सरल बिंदु आवेश प्रारूप (एसपीसी) का बड़े स्तर पर उपयोग किया गया है। इस प्रकार का विशिष्ट प्रारूप साइटों की निश्चित संख्या (प्रायः पानी के लिए तीन) का उपयोग करता है, प्रत्येक साइट पर पैरामीट्रिज्ड पॉइंट आवेश और प्रतिकर्षण और विस्तृत पैरामीटर रखा जाता है। ये प्रारूप सामान्यतः ज्यामिति के विषय जैसे कि बंधन की लंबाई या कोण के साथ ज्यामितीय रूप से सीमित होते हैं।

2010 के निकट स्पष्ट विलायक प्रारूपिंग में प्रगति से नई पीढ़ी के ध्रुवीकरण योग्य बल क्षेत्रों का उपयोग देखा गया, जो वर्तमान में बनाए जा रहे हैं। ये बल क्षेत्र आणविक आवेश वितरण में परिवर्तन का कारण बनने में सक्षम हैं। बिंदु आवेशों के विपरीत, बहुध्रुव क्षणों का उपयोग करने के लिए इनमें से कई बल क्षेत्रों को विकसित किया जा रहा है, यह देखते हुए कि बहुध्रुव क्षण अणुओं के आवेश अनिसोट्रॉपी को प्रतिबिंबित कर सकते हैं। ऐसी ही विधि बायोमोलेक्यूलर एप्लिकेशन (एएमओईबीए) बल क्षेत्र के लिए परमाणु मल्टीपोल ऑप्टिमाइज्ड एनर्जेटिक्स है। इस विधि का उपयोग आयनों की विलायक गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए किया गया है। अन्य उभरते हुए ध्रुवीकरण योग्य बल क्षेत्र जिन्हें संघनित चरण प्रणालियों पर आरम्भ किया गया है वे हैं; प्रारंभ में गणना किए गए फ़्रैगमेंट के मध्य इंटरैक्शन का योग ( एसआईबीएफए) और क्वांटम केमिकल टोपोलॉजी फोर्स फील्ड (क्यूसीटीएफएफ)। ध्रुवीकरण योग्य जल प्रारूप भी प्रस्तुत किये जा रहे हैं। स्प्रिंग पर तथाकथित आवेश (सीओएस) प्रारूप पानी के प्रारूप को इंटरेक्शन साइटों में से एक के लचीले (स्प्रिंग पर) होने के कारण ध्रुवीकरण करने की क्षमता देता है।

हाइब्रिड प्रारूप

हाइब्रिड प्रारूप, जैसा कि नाम से ज्ञात होता है, स्पष्ट और अंतर्निहित प्रारूप के मध्य में हैं। हाइब्रिड प्रारूप को सामान्यतः एक या दूसरे अंतर्निहित या स्पष्ट के निकट माना जा सकता है। मिश्रित क्वांटम यांत्रिकी और आणविक यांत्रिकी प्रारूप, (क्यूएम/ एमएम) योजनाओं के विषय में इस संदर्भ में विचार किया जा सकता है। यहां क्यूएम/ एमएम विधियां स्पष्ट प्रारूप के निकट हैं।