Động lực học phân tử (Molecular Dynamics_ viết tắt là MD) có liên quan đến chuyển động của phân tử. Chuyển động thuộc về tất cả các quá trình. Đơn giản như
là sự dao động, như sự co giãn liên kết hay sự uốn góc. Các phản ứng hóa học, quá trình kích thích liên kết hay những quá trình phức tạp khác đều có sự kết hợp với nhiều loại chuyển động bên trong phân tử (chuyển động nội phân tử) và chuyển
động giữa các phân tử.
Lực truyền động của các quá trình hóa học được mô tả bởi nhiệt động lực học. Tác nhân làm xuất hiện các quá trình chuyển đổi hóa học được mô tả bởi động năng của nguyên tử. Theo nhiệt động lực học, trong khi các phân tử chuyển đổi giữa các trạng thái khả dĩ, mối liên hệ về năng lượng giữa các trạng thái hóa học khác nhau,
được xác định bởi động năng.
Hình dạng chuyển tiếp và sự dao động cục bộ là những đối tượng thông thường của động lực học phân tử. Động học phân tử thay đổi bậc tự do trong phân tử, tương tự cho sự giảm năng lượng đến mức năng lượng tối thiểu. Các bước riêng lẻ trong quá trình chuyển đổi cấu trúc được hiểu đơn thuần là thiết lập sự giảm năng lượng tối thiểu, hướng từ trên xuống đến giá trị cực tiểu. Mặt khác, các bước trong
động học phân tử, biểu diễn sự thay đổi vị trí nguyên tử theo thời gian đầy ý nghĩa. Phương trình Newton được dùng trong MD để mô phỏng chuyển động của nguyên tử.
i i
F = m .a i
(2)
Tốc độ và hướng của chuyển động (vận tốc) được điều chỉnh bởi những lực mà các nguyên tử của hệ tác dụng lên nhau như được mô tả bởi phương trình Newton. Ở đây, các nguyên tử được ấn định vận tốc ban đầu sao cho phù hợp với
động năng toàn phần của hệ lần lượt được qui định bởi nhiệt độ mô phỏng như
ban đầu 0 K) sau đó năng lượng cấp phát được dùng làm cân bằng giữa các nguyên tử cấu thành. Hoạt động cơ bản của MD là sự tính toán các lực tác dụng lên mỗi nguyên tử, từ đó xác định vị trí của nguyên tử trong một chu kỳ xác định (thông thường bậc thời gian là pico giây 10-12 s).
Lực tác dụng lên một nguyên tử có thể tính được từ sự thay đổi năng lượng giữa vị trí hiện tại của nguyên tử với vị trí dời đi một khoảng cách nhỏ. Điều này có thể nhận ra khi đạo hàm của năng lượng theo sự thay đổi vị trí của nguyên tử:
d E
- d ri = iF (3)
Các năng lượng này được tính bằng cách dùng phương pháp cổ điển hay cơ
học lượng tử. Năng lượng molecular mechanics bị giới hạn sự áp dụng vì không bao hàm sự thay đổi đáng kể của cấu trúc điện tử như là sự hình thành hay bẻ gãy liên kết. Phương pháp quantum mechanics có thể dùng để nghiên cứu các quá trình động bao gồm cả những thay đổi hóa học.
Khi biết giá trị về lực (vận tốc, hay động năng) và khối lượng nguyên tử có thể tìm được vị trí của mỗi nguyên tử theo một hệ thời gian vô cùng ngắn femto giây 10-15s. Kết quả là một dãy lưu nhanh về sự thay đổi cấu trúc theo thời gian gọi là sự chuyển tiếp. Sử dụng phương pháp này để tìm sự chuyển tiếp có thể dễ dàng thấy hơn khi phương trình Newton được biểu thị dạng dưới đây:
2 i i i 2 i d r dE - = m dr dt (4)
Sự chuyển đổi giữa hai trạng thái có thể chia nhỏ thành một chuỗi các trạng thái phụ tách nhau bởi một khoảng thời gian vô cùng bé t(chẳng hạn như 1 femto giây). Vị trí ban đầu tại thời điểm t được dùng để dự đoán vị trí của nguyên tử tại thời điểm t + t. Vị trí tại thời điểm t + t được dùng dựđoán vị trí tại thời điểm t + 2t, và cứ thế.