目前很多種水分子模型可以用于預(yù)測(cè)液態(tài)水的物理特性,或確定液態(tài)水的(未知)結(jié)構(gòu)。AuToFF支持多種水模型,包括OPC, OPC3, SPC, SPC/E, SPC/Eb, TIP3P, TIPS3P, TIP3P-FB, TIP4P, TIP4P/Ew, TIP4P/2005, TIP4P/ICE, TIP4P/ε。其中,TIP4P/ICE是一種剛性平面的四點(diǎn)水模型,亦即除了1個(gè)O和2個(gè)H原子外還加入了1個(gè)虛原子M(在氧附近),虛原子僅具有負(fù)電荷,改善了水分子周圍的靜電分布。TIP4P/ICE是專門用來(lái)描述冰的一系列性質(zhì)的水模型,對(duì)水的相圖有較好的還原(1bar下冰-Ih熔點(diǎn)為272.2K),因此本案例將介紹利用TIP4P/ICE水模型進(jìn)行冰融化的分子動(dòng)力學(xué)模擬。
圖1 TIP4P構(gòu)型
力場(chǎng)輔助工具-AuToFF
確定起始構(gòu)型
選擇AuToFF-全原子力場(chǎng)模塊,上傳冰晶體cif結(jié)構(gòu)文件,水模型力場(chǎng)選擇TIP4P/ICE,即可自動(dòng)轉(zhuǎn)成四點(diǎn)水模型的結(jié)構(gòu)。冰晶體的單胞結(jié)構(gòu)文件如下:
圖2 確定冰晶體結(jié)構(gòu)
選擇力場(chǎng)
TIP4P/ICE是專門用來(lái)描述冰的一系列性質(zhì)的水模型,對(duì)水的相圖有較好的還原(1bar下冰-Ih熔點(diǎn)為272.2K),因此模擬冰融化過(guò)程也采用TIP4P/ICE力場(chǎng)模型。
圖3 根據(jù)力場(chǎng)選擇原子類型
生成拓?fù)湮募?/strong>
根據(jù)力場(chǎng)的選擇即可生成拓?fù)湮募╰op文件)的相關(guān)力場(chǎng)參數(shù)(itp文件,包括LJ、鍵、鍵角參數(shù),原子電荷)。此外生成拓?fù)湮募芍С侄嗫钣?jì)算軟件,包括:GROMACS、LAMMPS、AMBER、Moltemplate、OpenMM、TINKER、CHARMM。本案例采用GROMACS軟件進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬,用戶也可選擇LAMMPS進(jìn)行模擬,其中下載的文件夾中除了力場(chǎng)拓?fù)湮募膺€包含力場(chǎng)參數(shù)的文獻(xiàn)來(lái)源。針對(duì)晶體結(jié)構(gòu)支持?jǐn)U胞操作,此處設(shè)置的是5*5*5。
圖4 生成冰晶體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
MD模擬
在模擬過(guò)程中,模擬步長(zhǎng)設(shè)為2fs,采用Verlet算法來(lái)計(jì)算運(yùn)動(dòng)方程。模擬體系的三個(gè)方向均考慮周期性,是體相的模擬。具體的冰融化過(guò)程模擬采用NPT系綜,從0 K升溫到350 K,使用V-rescale控溫,參考溫度298.15 K, Berendsen控壓, 參考?jí)毫?1.01325 bar 。完整的GROMACS的mdp文件輸入如下:
define = integrator = md dt
= 0.002 nsteps
= 1000000 comm-grps = system energygrps = ; nstxout = 0 nstvout = 0 nstfout = 0 nstlog = 500 nstenergy = 500 nstxout-compressed = 1000 compressed-x-grps = system ; annealing = single annealing_npoints = 2 annealing_time = 0 2000 ;ps annealing_temp = 0 350 ; pbc = xyz cutoff-scheme = Verlet coulombtype = PME rcoulomb
= 0.9 vdwtype
= cut-off rvdw
= 0.9 DispCorr
= EnerPres ; Tcoupl = V-rescale tau_t
= 0.2 tc_grps = system ref_t = 298.15 ; Pcoupl
= Berendsen pcoupltype = isotropic tau_p = 0.5 ref_p = 1.01325 compressibility = 4.5e-5 ; gen_vel = no gen_temp = 298.15 gen_seed = -1 ; freezegrps = freezedim = constraints = hbonds
MD結(jié)果分析
冰融化過(guò)程的軌跡變化通過(guò)VMD作圖如下,可以清晰的展現(xiàn)出冰融化過(guò)程的體系結(jié)構(gòu)變化。
動(dòng)畫5 冰融化軌跡變化過(guò)程
編輯:黃飛
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ICE
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TOF
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晶體結(jié)構(gòu)
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原文標(biāo)題:AuToFF應(yīng)用案例——冰融化模擬及TIP4P/ICE水模型使用
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