Кіріспе
Физикалық жүйенің энергиясын белгілі бір параметрлер бойынша сипаттайтын функция. Потенциалдық энергия беті (ПЭБ) немесе энергия ландшафты жүйенің, әсіресе атомдар жиынтығының энергиясын белгілі бір параметрлер бойынша сипаттайды, әдетте атомдардың орналасуы. Бұл бет энергияны бір немесе бірнеше координаттардың функциясы ретінде анықтауы мүмкін; егер тек бір координат болса, бұл бет потенциалдық энергия қисығы немесе энергия профилі деп аталады. Мысалы, Морзе/алыс қашықтық потенциалын қарастыруға болады. Ландшафт аналогиясын қолдану тиімді: екі еркіндік дәрежесі бар жүйе үшін (мысалы, екі байланыс ұзындығы), энергияның мәні (аналогия: жердің биіктігі) екі байланыс ұзындығының функциясы болады (аналогия: жердегі орналасу координаттары). ПЭБ тұжырымы физика, химия және биохимия сияқты салаларда, әсіресе осы ғылымдардың теориялық тармақтарында қолданылады. Оны атомдардан құралған құрылымдардың қасиеттерін теориялық тұрғыдан зерттеу үшін пайдалануға болады, мысалы, молекуланың ең төмен энергияға ие пішінін табу немесе химиялық реакцияның жылдамдығын есептеу. Ол молекулалық құрылымның барлық мүмкін конформацияларын немесе жүйедегі өзара әрекеттесетін молекулалардың кеңістіктегі орналасуын немесе параметрлерді және оларға сәйкес келетін энергия деңгейлерін, әдетте Гиббс еркін энергиясын сипаттау үшін қолданылуы мүмкін. Геометриялық тұрғыдан алғанда, энергия ландшафты – жүйенің конфигурациялық кеңістігіндегі энергия функциясының графигі. Бұл термин математикалық оптимизацияда геометриялық көзқарас бойынша кеңірек қолданылады, жоғалту функциясының домені белгілі бір жүйенің параметрлік кеңістігі болған кезде.
A potential energy surface (PES) or energy landscape describes the energy of a system, especially a collection of atoms, in terms of certain parameters, normally the positions of the atoms. The surface might define the energy as a function of one or more coordinates; if there is only one coordinate, the surface is called a potential energy curve or energy profile. An example is the Morse/Long range potential. It is helpful to use the analogy of a landscape: for a system with two degrees of freedom (e. g. two bond lengths), the value of the energy (analogy: the height of the land) is a function of two bond lengths (analogy: the coordinates of the position on the ground). The PES concept finds application in fields such as physics, chemistry and biochemistry, especially in the theoretical sub branches of these subjects. It can be used to theoretically explore properties of structures composed of atoms, for example, finding the minimum energy shape of a molecule or computing the rates of a chemical reaction. It can be used to describe all possible conformations of a molecular entity, or the spatial positions of interacting molecules in a system, or parameters and their corresponding energy levels, typically Gibbs free energy. Geometrically, the energy landscape is the graph of the energy function across the configuration space of the system. The term is also used more generally in geometric perspectives to mathematical optimization, when the domain of the loss function is the parameter space of some system.
Математикалық анықтамасы және есептеу
Атомдар жиынтығының геометриясын элементтері атомдардың орналасуын көрсететін вектор 'r' арқылы сипаттауға болады. 'r' векторы атомдардың Декарт координаталарының жиынтығы немесе атомдар арасындағы қашықтықтар мен бұрыштар жиынтығы болуы мүмкін. 'r' берілген жағдайда, позицияның функциясы ретінде энергия, E('r'), – барлық қызығушылық тудыратын 'r' үшін E('r') мәні. Бұл ретте, E энергиялық ландшафттың биіктігін көрсетеді, сондықтан потенциалдық энергия бетінің түсінігі туындайды. Атомдық позициялардың функциясы ретінде химиялық реакцияны зерттеу үшін, қызығушылық тудыратын әрбір атомдық орналасудың энергиясын есептеу қажет. Атомдардың белгілі бір орналасуының энергиясын есептеу әдістері есептеу химиясы мақаласында жақсы сипатталған, ал назар осы жерде E('r') шамасын табуға аударылады, бұл энергия позициясы туралы толық ақпарат беруге мүмкіндік береді. Өте қарапайым химиялық жүйелер үшін немесе атомдар арасындағы өзара әрекеттесулер туралы жақындатулар жасалғанда, энергияны атомдық позициялардың функциясы ретінде аналитикалық түрде алуға болады. Мысалы, H + H2 жүйесі үшін Лондон-Эйринг-Поланьи-Сато потенциалы үш H-H қашықтығының функциясы болып табылады. Күрделі жүйелер үшін, атомдардың белгілі бір орналасуының энергиясын есептеу көбінесе беттің кең масштабты бейнелеуі үшін тым қымбатқа соғады. Мұндай жүйелер үшін, ПЭС-тегі нүктелердің қысқартылған жиынтығын есептеу және содан кейін олқылықтарды толтыру үшін, мысалы, Шепард интерполяциясы сияқты, есептеу жағынан арзан интерполяциялық әдіс қолдану мүмкін.
Қолдану
ПЭС молекулалық геометрияны және химиялық реакциялар динамикасын талдауға көмектесетін түсіндірмелік құрал болып табылады. Қажетті нүктелер ПЭС-те бағаланғаннан кейін, оларды энергияның бірінші және екінші туындылары бойынша жіктеуге болады, олар тиісінше градиент және қисықтық болып табылады. Тұрақты нүктелердің (немесе градиенті нөлге тең нүктелердің) физикалық мағынасы бар: энергияның ең төменгі нүктелері физикалық тұрақты химиялық түрлерге сәйкес келеді, ал шегініс нүктелері (седловые точки) – реакция координатасындағы ең жоғары энергия нүктесіне (химиялық реагентті химиялық өніммен байланыстыратын ең төменгі энергия жолы) сәйкес келетін өтпелі күйлерге. Бұл термин белоктардың бүктелуін зерттегенде пайдалы; теориялық тұрғыдан алғанда, белок өзінің энергиялық ландшафтында дерлік шексіз конформацияларда болуы мүмкін, бірақ іс жүзінде белоктар екінші және үшінші құрылымдарға бүктеледі (немесе «толыққанды күйге келеді»), олардың еркін энергиясы ең төменгі деңгейде болады. Белоктың бүктелуіне энергиялық ландшафт тәсілінің негізгі түсінігі – бүктелу фунциясының гипотезасы. Катализде жаңа катализаторларды жобалау немесе қолданыстағыларды жетілдіру кезінде, реакцияны тоқтатуға немесе соңғы өнімдерге жету үшін тым көп энергия талап ететін төмен немесе жоғары энергиялы аралық заттарды болдырмау үшін энергиялық ландшафттар қарастырылады. Шыны жасау модельдерінде энергиялық ландшафттың жергілікті минимумдары термодинамикалық жүйенің метатұрақсыз төмен температуралық күйлеріне сәйкес келеді. Машиналық оқытуда жасанды нейрондық желілерді ұқсас тәсілдермен талдауға болады. Мысалы, нейрондық желі оқу жиынтығына өте жақсы сәйкес келуі мүмкін, бұл жоғалтудың жаһандық минимум нүктесіне (нөлдік жоғалту) сәйкес келеді, бірақ модельге тым көп сәйкес келу (мысалы, «шуды оқып алу» немесе «оқу жиынтығын жаттау») орын алуы мүмкін. Мұндай жағдайдың қашан болатынын тиісті энергиялық ландшафттың геометриясын зерттеу арқылы анықтауға болады.
Тартымды және кері әсер ететін беттер
Химиялық реакциялардың потенциалдық энергия бетін реакциялардың реагенттері мен өнімдерінің байланыс ұзындығының өзгеруін салыстыру арқылы тартымды немесе тебуге қарсы деп жіктеуге болады. A + B—C → A—B + C типіндегі реакция үшін, жаңа түзілген A—B байланысының ұзындығының өзгеруі R*AB = RAB − R0AB ретінде анықталады, мұнда RAB — ауысу күйіндегі A—B байланысының ұзындығы, ал R0AB — өнім молекуласындағы ұзындығы. Сол сияқты, реакцияда үзілген байланыс үшін R*BC = RBC − R0BC, мұнда R0BC — реагент молекуласына қатысты. Экзотермиялық реакциялар үшін, егер R*AB > R*BC болса, потенциалдық энергия беті тартымды (немесе ерте төмендеу) деп жіктеледі, сондықтан ауысу күйіне реагенттер бір-біріне жақындағанда жетеді. Ауысу күйінен кейін A—B байланысының ұзындығы азаюын жалғастырады, сондықтан босатылған реакция энергиясының көп бөлігі A—B байланысының тербеліс энергиясына айналады. Мысалы, гарпун тәрізді реакция K + Br2 → K—Br + Br, онда реагенттердің бастапқы ұзақ қашықтықтағы тартылысы K+•••Br−•••Br-ға ұқсас белсендірілген кешенге әкеледі. Керісінше, H + Cl2 → HCl + Cl реакциясының потенциалдық энергия беті тебуге қарсы (немесе кеш төмендеу) болып табылады, өйткені R*HCl < R*ClCl және ауысу күйіне өнімдер бөлінген кезде жетеді.
Тарих
Химиялық реакциялар үшін потенциалдық энергия беті тұжырымдамасын алғаш рет 1913 жылы француз физигі Рене Марселин ұсынды. 1931 жылы Генри Эйринг және Майкл Поланьи H + H2 реакциясы үшін потенциалдық энергия бетінің алғашқы жартылай эмпирикалық есептеуін жасады. 1935 жылы Эйринг өткіш күй теориясында реакция жылдамдық константаларын есептеу үшін потенциалдық энергия беттерін қолданды.