[發明專利]通過Ewald sum的計算水/苯液相界面張力的Monte Carlo分子模擬方法

有效

• 申請號: 201910988374.1
• 申請日: 2019-10-17
• 公開（公告）號: CN111063396B
• 公開（公告）日: 2023-09-01
• 發明（設計）人: 薛白;馬健;賴力鵬;溫書豪;張佩宇
• 申請（專利權）人: 深圳晶泰科技有限公司
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產權事務所(普通合伙) 44248
• 代理人: 胡玉

1.一種通過改進Ewald?sum的高效Monte?Carlo分子模擬計算苯與水液相界面張力的方法，其特征在于，包括如下幾個步驟：

步驟A：初始化構象：準備兩個模擬盒子，大小均為(30×30×45)-(35×35×55)，將1200-2000個水放在第一個盒子的格點上，230-380個苯分子放在第二個盒子的格點上；并選擇模擬溫度與壓力T，p；

步驟B：挑選模擬所用力場：苯分子采用TraPPE力場，水分子使用TIP4P/2005力場；

步驟C：在正則系綜下對兩個盒子分別進行Monte?Carlo模擬；

步驟D：將水盒子與苯盒子沿著z方向拼接在一起，形成一個的大盒子，并重復步驟C中提到的Monte?Carlo?cycle?50000-80000次，以使體系重新達到平衡；

步驟E：體系達到平衡后，進入數據收集階段；在等溫等壓系綜下，重復步驟C中提到的Monte?Carlo?cycle?400000-500000次，并每5個cycle計算一次界面張力，最后的界面張力結果為所有計算結果的統計平均；

所述步驟C中，一個完整的Monte?Carlo?move包括以下步驟：

(1)隨機選取一個分子；

(2)隨機選擇一種Monte?Carlo?move；這里move的種類包括平動，轉動，每種move均給20-40％的選擇概率；

(3)執行選定的move生成新構象；

(4)計算體系新構象能量，包括體系分子內能量E_intra，分子間范德華能E_vdW，分子間短程庫倫能E_short，以及分子間長程庫倫能E_long，具體步驟為：

步驟a：計算分子內能量

E_intra＝E_bond+E_angle+E_dihedral

其中E_bond為鍵能，E_angle為角能，E_dihedral為二面角能；

步驟b：計算分子間范德華能

其中σ，ε為力場參數，r_ij為粒子間距離；

步驟c：計算分子間短程庫倫能

其中ε₀為真空介電常數，q_i，q_j為粒子i，j的電荷，r_i，r_j為粒子位置向量，n為周期向量，L為盒長；

步驟d：計算分子間長程庫倫能，即Ewald?sum時采用如下步驟：

步驟d1：對每個粒子，計算最基本的6個三角函數值其中r_xi，r_yi，r_zi分別為粒子i，x，y，z方向上的坐標，L_x，L_y，L_z為x，y，z方向上的盒長；

步驟d2：通過遞歸，使用基本四則運算間接得到其余需要計算的三角函數值與其中每一組(I，m，n)為一個倒空間向量，其中，倒空間向量(I，m，n)由三個整數構成，其中每一個維度的絕對值不超過K_max，i＝int(κL_i)+1，其中κ＝3.2/R_c，R_c為體系的cutoff，L_i為每個方向上得盒長；

步驟d3：得到所有三角函數值后計算總的長程庫倫相互作用能：

其中，C₀是一個常數，I、m、n為倒空間向量，I_max、m_max、n_max為倒空間向量能取到的最大值；

(5)根據體系新能量計算接收概率P_acc＝min{1，exp[-β(E_new-E_old)]}，其中E_new為新構象能量，E_old為舊構象能量；生成一個隨機數，若該隨機數小于P_acc則接受該新構象，否則不接受，體系回到舊構象。

2.根據權利要求1所述的通過改進Ewald?sum的高效Monte?Carlo分子模擬計算苯與水液相界面張力的方法，其特征在于，所述步驟E中，界面張力的計算方式采用Kirkwood與Buff定義：

其中L_z為z方向上得盒長，P_N，P_T分別為體系垂直與切線方向的壓力，前面的系數1/2是考慮了體系里有兩個界面，

其中壓力的計算方式為：

其中k_B為玻爾茲曼常數，T為體系溫度，N為體系分子數，V為體系體積，f_ij為i，j粒子之間的力向量，r_ij為其距離向量。