分子模拟技术栈

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分子模拟技术栈

学习参考 .."LAMMPS data文件创建工具--moltemplate", Roy Kid

  1. gaussview 绘制基本小分子，导出pdb文件

  2. packmol 导入上一步的pdb文件，进行空间排布，导出系统的pdb文件

  3. moltemplate 导入系统的pdb文件，同时提供力场信息，生成lammps模拟所需的data文件和力场文件

  4. lammps 模拟

虽然moltemplate本身就具备建模功能，但是必须显式指定各原子和分子的位置，长链烷烃还比较好算，带支链的环烷烃等就比较复杂了.. 上面的一套流程不需要指定位置，直接建模就可以了.. 之后在moltemplate里给出力场信息.. 也就是说模型的构建和力场基本上是解耦的，这给MD尤其是在lammps中进行MD模拟提供了很大的方便，也可以较简单地切换不同力场进行比较.

622 decane +118 dodecane + 260 butylbenzene 均相体系为例

  1. gaussview绘制基本单元

  • 使用gaussview绘制出小分子，导出pdb文件，如下图所示：
  • 这里元素种类，名称等均不重要，唯一有用的就是各个原子的顺序，比如decane.pdb中定义原子的顺序和图中label的顺序是一样的，先是定义了CH3中的四个原子，然后是剩下链中的八个原子，最后是链尾端的CH3，每一个基团定义原子的顺序都是从C到H. Moltemplate中定义分子和系统信息时原子的顺序必须和pdb中的顺序完全一致，否则就会出现问题.
  1. 用packmol进行空间排布

  • packmol的输入文件是.inp文件，使用时将packmol.exe放到工作文件夹里，通过cmd运行：

    1
    packmol < xxxx.inp

  • 可以支持很复杂的结构定义，这里均相体系就很简单了. 需要指定tolerance，filetype，output，以及要填进去的东西

  • 这一步会生成系统的结构文件，也就是.inp文件中指定的system.pdb

  1. 使用moltemplate给出力场信息
  • moltemplate给出力场信息的方式是定义分子和系统的.lt文件，针对不同力场，moltemplate提供了对应力场的.lt文件，以Compass力场为例，moltemplate提供了compass_published.lt文件，其中定义了各种不同的原子，以及原子间成键的参数，成键类型，分子间作用力类型等等，在自己定义新的分子时，只需要继承compass_published.lt文件，然后指定分子中的原子种类及原子间的连接情况即可，moltemplate会自动为其分配质量、电荷、pair参数等信息，生成lammps可接受的输入文件.

  • 为了定义烷烃分子，可以先定义CH2基团和CH3基团，然后再把它拼起来组成分子，moltemplate也是基于这样的面向对象的想法设计的.下图定义了一个CH2分子，继承COMPASS力场，其中@atom是COMPASS力场文件中定义的原子类型，在这里就是c4和h1，charge可以随便写，之后moltemplate会根据力场文件重新生成. 后面的x y z是原子坐标，在完全用moltemplate生成结构文件时，必须通过计算得到.. 但是在这套技术栈之中我们就不需要指定坐标了，关键是指定这些原子的顺序，moltemplate完全按照最后系统中.lt文件中定义的各原子位置去给packmol生成的.pdb文件赋予力场信息.

  • ch2：

  • ch3：

  • 苯基：（完全按照pdb文件中的顺序，注意修改原子类型）
  • 定义各分子的.lt文件（定义的顺序必须和gaussview生成的pdb文件中的原子顺序一致）：
  • decane：
  • dodecane：
  • butylbenzene：

  • 定义系统.lt文件，定义顺序必须和packmol空间排布定义的顺序完全一致.

运行：

1
moltemplate.sh -pdb system.pdb system.lt

  • 用vmd看一下生成的system.data文件：

  • 此时的data文件已经包含了compass力场所需的二面角等信息，moltemplate同时生成了settings和init等文件，进行lammps in文件的参数设置. 接下来只需要写in文件即可进行lammps模拟.