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1、1. 基础理论扩散系数是衡量物质扩散程度的物理量，是表征物质传质的重要参数。自扩散系数是一个张量，在均相系统中通常取张量的对角线元素1D = _ (D + D + D )3 xx yy zzx y z表示方向，且D D D 三者相等。通常非对角线元素为0。xx yy zz分子模拟中，计算自扩散系数的方法比较常用的有Einstein equation和Green-Kubo equation。 此教程使用Einstein equation，即D 二_1_limd丄Xr(t)-r(0)2xx2Dim t* dtN丨，1i=1其中Dim是维度，r(t)即为i粒子t时刻的位置，N为粒子总数，尖括号表示系
2、综平均。其中 MSD =穆习叩)-ri(o)i2表示粒子的均方位移(Mean Square Displacement)。i=12. 模型构建模型构建使用的工具为: moltemplate一般在lammps/tools/目录下已有安装(参考了官网上的范例)需要的文件为spce.lt，包含水分子模型的参数System.lt,指定水分子的排列方式。# In moltemplate each molecule type is stored in a file whose format mimics the# format of a LAMMPS data file, with Atoms, Bonds
3、, and Angles sections.# Once defined, these molecules can be copied and moved to build larger systems.# SPCE (extended simple point charge) is one of several popular water models# (See Berendsen H.J.C et al., J.Phys.Chem. Vol91 pp.6269-6271,1987 for details)# file spce.lt# H1 H2# /#OSPCE # Definitio
4、n of the SPCE (water molecule type) # The Data Atoms section is a list of atom attributes (type, charge, x,y,z)write(Data Atoms) $atom:o $mol$atom:h1 $mol$atom:h2 $mol# AtomID MoleculeID AtomType Charge X Y Zatom:O -0.84760.0000000 0.00000 0.000000atom:H 0.4238 0.8164904 0.00000 0.5773590atom:H 0.42
5、38 -0.8164904 0.00000 0.5773590# Note: LAMMPS expects an integer in the 2nd column (the Molecule-ID number).#If we put $mol there, moltemplate will generate this integer for you# A list of the bonds in the molecule:# BondID BondType AtomID1 AtomID2write(Data Bonds) $bond:OH1 bond:OH $atom:o $atom:h1
6、$bond:OH2 bond:OH $atom:o $atom:h2# A list of the angles in the molecule:# AngleID AngleType AtomID1 AtomID2 AtomID3write(Data Angles) $angle:HOH angle:HOH $atom:h1 $atom:o $atom:h2# The mass of each atom type: write_once(Data Masses) atom:O 15.9994atom:H 1.008 # end of definition of SPCE water mole
7、cule type以及system.lt,创建模拟所需要的水分子盒子。import spce.lt # - This defines the SPCE water molecule.# Periodic boundary conditions: write_once(Data Boundary) 0.0 34.50 xlo xhi0.0 34.50 ylo yhi0.0 34.50 zlo zhi # The next command creates 1000 (10x10x10) copies of the SPCE water molecule# and arranges them in
8、a (rather dense) cubic lattice with# spacing 3.45 Angstroms. (The pressure must be equilibrated later.) wat = new SPCE 10.move(0.00, 0.00, 3.45)10.move(0.00, 3.45, 0.01)10.move(3.45, 0.01, 0.01) 运行:$ moltemplate.sh system.lt即可得到水分子的data文件：system.data。3. 参数设置以下为 in 文件:unitsreal#指定计算用的单位atom_stylefull
9、#data 文件的数据类型bond_styleharmonic#计算键能的方式angle_styleharmonic#计算键角相互作用的方式pair_stylelj/charmm/coul/long 9.0 10.0 10.0#非键相互作用的类型pair_modifymix arithmetic#非键相互作用的混合方法此范例所使用的LAMMPS版本为11 Aug 2017。运行LAMMPS所需的最基本文件为in文件，在in文件中也可以创建简单的结构模型。 此范例所需要的文件为in以及包含水分子模型的data文件。#计算长程库仑力的方式read_datasystem.data#读入结构文件bon
10、d_coeff11000.0 1.0#键参数angle_coeff11000.0 109.47#键角参数pair_coeff1 10.1553 3.166#O-O 非键相互作用pair_coeff2 20.0 2.058#H-H 非键相互作用group gSPCE type12#将 1， 2 原子设定为组fix fShakeSPCE gSPCE shake 0.0001 10 100 b 1 a 1#SHAKE 算法 令水分子为刚性kspace_style pppm 0.0001#时间步长#输出格式timestep 1.0dump 1 all custom 1000 traj.lammpstr
11、j id mol type q x y zdump_modify 1 sort id#按原子 id 排序fix fxnpt all npt temp 300.0 300.0 100.0 iso 1.0 1.0 1000.0 drag 1.0#npt 系综run 50000unfix fxnpt#解除 nptfix fxnvt all nvt temp 300.0 300.0 100.0#nvt 系综 nose-hoover 热浴thermo 100#log 文件中输出信息的频率compute msd gSPCE msd#计算 msdfix fxmsd gSPCE ave/time 1000 1
12、 1000 c_msd1 c_msd2 c_msd3 c_msd4 file msd.txt#输出 msdrun 600000#模拟时长可自行调整，此处为0.6 纳秒4. 运行模拟将 data 文件， in 文件放置在同一文件夹下，运行模拟。此处为 1000 个水分子，耗时较长。推荐使用并行计算。当然你也可以自行调整水分子的数 目以及模拟时长。5. 计算结果模拟得到水分子的MSD数据（msd.txt）,将其作图。XXyyZZ01000-1S00-200-Slopexx=4.98217e-4Slopeyy=5.01173e-4Slopezz=5.35622e-41D0000 200000 300
13、000 400000 5DOOOO 600000 700000Time (fs)600-400-Slope=0.00154 totalFig. 水分子的 MSD 随时间变化因为xx,yy,zz三个方向扩散系数相同，因此我们取其斜率的平均值51167e - 4。此时维度为1,由Einstein关系我们可以得到扩散系数为5】167 e - 4/2 = 2558 e - 4A2/fs。即为 2558 e - 9m 2 / s 。总结1. 构建盒子时要保证密度的准确，因此先使用npt系综，再使用nvt系综来计算MSD。当 然也可以在创建盒子时直接给定密度（水分子均相密度为1gcm-3）。2. 保证模拟时长。3. 注意单位的换算。4. 不同水分子模型得到的扩散系数并不相同，此范例使用的是SPC/E水分子模型。
分子模拟水分子扩散系数计算教程LAMMPS
