Pole siłowe znajduje zastosowanie w minimalizacji energii oscylacyjnej w molekule etanu.

W fizyce i chemii obliczeniowej pole siłowe to termin oznaczający zarówno funkcję jak i zestaw parametrów mających na celu opisanie energii potencjalnej układu atomów lub cząsteczek. Zwykle termin ten pojawia się w kontekście dynamiki molekularnej oraz mechaniki molekularnej, gdzie odgrywa niezbędną rolę jako przybliżenia rzeczywistej funkcji potencjału. Do czasów obecnych opracowano bardzo wiele różnych pól siłowych. Niektóre z nich mają szerokie zastosowanie w prowadzeniu symulacji wielu różnych układów molekularnych (np. CHARMM, AMBER), podczas gdy inne zostały zoptymalizowane do prowadzenia wyspecjalizowanych obliczeń (np. OPLS).

Funkcje i parametry budujące pola siłowe wywodzą się zarówno z pomiarów eksperymentalnych jak i zaawansowanych obliczeń kwantowomechanicznych. Pełnoatomowe pola siłowe zapewniają parametry do opisu każdego atomu w analizowanym układzie podczas gdy metody wykorzystujące "atomy zjednoczone" opisują niektóre grupy funkcyjne takie jak metyl oraz metylen w sposób przybliżony, traktując je jako pojedyncze atomy. Natomiast "gruboziarniste" pola siłowe (ang. coarse-grained force fields) stosowane w długich czasowo symulacjach białek i kwasów nukleinowych dążą do jeszcze bardziej uproszczonego opisu cząsteczek, wprowadzając pseudoatomy symulujące zachowanie całych reszt aminokwasowych (białka), bądź zasad azotowych (kwasy nukleinowe). Takie przybliżenia są konieczne z uwagi na znaczny koszt obliczeniowy modelowania tak dużych układów molekularnych.

Należy podkreślić, że termin pole siłowe jest obecnie inaczej rozumiany w chemii i biologii obliczeniowej niż w fizyce. Chemiczne pole siłowe stanowi przybliżenie funkcji obrazującej energię potencjalną cząsteczki podczas gdy w fizyce określenie to jest zarezerwowane do opisu gradientu pola skalarnego

Sposób realizacji

Funkcja potencjału w mechanice molekularnej dla modelu ciągłego rozpuszczalnika.

Wykorzystując pole siłowe wyznacza się energię potencjalną dla całego badanego układu. Energia wyznaczana jest dla każdej konformacji i jest ona sumą kilku niezależnych wyrażeń:

gdzie wkłady od energii kowalencyjnej i niekowalencyjnej dane są następującymi wyrażeniami

Dokładna forma wyrażenia na energię potencjalną jest zależna od wyboru pola siłowego oraz zależy od wyboru programu komputerowego wykorzystywanego do przeprowadzenia obliczeń. W ogólności udziały pochodzące od długości wiązań i kątów pomiędzy nimi są wyznaczane na podstawie przybliżenia oscylatora harmonicznego wycentrowanego na długości równowagowej wiązania. Długości te wyznaczane są za pomocą pomiarów doświadczalnych lub wyznaczane teoretycznie przy pomocy znacznie dokładniejszych metod ab-initio, traktujących cząsteczki jako układy całkowicie kwantowe. Dla dokładnego wyznaczenia energii oscylacyjnej można wykorzystać potencjał Morse'a jednakże wiąże się to ze znacznym przyrostem złożoności obliczeniowej. Ponieważ funkcje przybliżające energię torsyjną posiadają zwykle kilka ekstremów to nie mogą zostać przedstawione za pomocą potencjału o charakterze paraboli. Zamiast tego często stosowane są człony wykorzystujące funkcje trygonometryczne.

Wkłady od członów niewiążących są znacznie bardziej kosztowne obliczeniowo. Jest to intuicyjnie zrozumiałe, ponieważ każdy atom tworzy wiązania jedynie z kilkoma pobliskimi atomami natomiast jest w stanie oddziaływać w sposób niewiążący ze znacznie większą liczbą innych atomów. Jednak człony opisujące oddziaływania van der Waalsa wraz z narastającą odległością szybko tracą znaczenie. Zazwyczaj są one symulowane przy użyciu potencjału Lennarda-Jonesa o wykładnikach "6–12", co oznacza, że siła przyciągająca do siebie atomy słabnie poprzez przestrzeń proporcjonalnie do r, siła odpychająca natomiast słabnie proporcjonalnie do r, gdzie r wyznacza odległość pomiędzy atomami. Zazwyczaj wprowadza się określony promień odcięcia dla potencjału by przyśpieszyć obliczenia - po przekroczeniu tego arbitralnie ustalonego dystansu zakłada się, że oddziaływania zanikają.

Wkłady od oddziaływań elektrostatycznych są trudne do precyzyjnego obliczenia z uwagi na dalekosiężny charakter oraz znaczenie dla globalnej topologii cząsteczek (zwłaszcza białek). Podstawowym członem służącym do wyznaczania energii elektrostatycznej jest potencjał kulombowski słabnący z odległością proporcjonalnie do r. Do rozwiązania kwestii wkładu elektrostatycznego stosuje się wiele metod. Najprostszą z nich jest wprowadzenie promienia odcięcia w sposób analogiczny jak dla oddziaływań van der Waalsa. Jednakże wprowadza to nienaturalny podział na atomy wewnątrz i na zewnątrz tego promienia co prowadzi do znacznych odstępstw od prawdziwego stanu rzeczy. Lepszym pomysłem jest wprowadzenie dodatkowej funkcji skalującej zmieniającej wartość energii elektrostatycznej w zależności od położenia względem promienia odcięcia. Do efektywniejszych ale bardziej zachłannych obliczeniowo metod należy wykorzystanie sieciowych cząsteczek Ewalda (ang. particle mesh Ewald, PME) oraz algorytmów multipolowych. Jedynym polem siłowym, które bezpośrednio wykorzystuje wszystkie oddziaływania jonowe do obliczania energii molekuły jest QVBMM.