AuToFF应用案例——冰融化模拟及TIP4P/ICE水模型使用

目前很多种水分子模型可以用于预测液态水的物理特性，或确定液态水的（未知）结构。AuToFF支持多种水模型，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是一种刚性平面的四点水模型，亦即除了1个O和2个H原子外还加入了1个虚原子M（在氧附近），虚原子仅具有负电荷，改善了水分子周围的静电分布。TIP4P/ICE是专门用来描述冰的一系列性质的水模型，对水的相图有较好的还原（1bar下冰-Ih熔点为272.2K），因此本案例将介绍利用TIP4P/ICE水模型进行冰融化的分子动力学模拟。

图1  TIP4P构型

力场辅助工具-AuToFF

确定起始构型

选择AuToFF-全原子力场模块，上传冰晶体cif结构文件，水模型力场选择TIP4P/ICE，即可自动转成四点水模型的结构。冰晶体的单胞结构文件如下：

图2  确定冰晶体结构

选择力场

TIP4P/ICE是专门用来描述冰的一系列性质的水模型，对水的相图有较好的还原（1bar下冰-Ih熔点为272.2K），因此模拟冰融化过程也采用TIP4P/ICE力场模型。

图3  根据力场选择原子类型

生成拓扑文件

根据力场的选择即可生成拓扑文件（top文件）的相关力场参数（itp文件，包括LJ、键、键角参数，原子电荷）。此外生成拓扑文件可支持多款计算软件，包括：GROMACS、LAMMPS、AMBER、Moltemplate、OpenMM、TINKER、CHARMM。本案例采用GROMACS软件进行分子动力学模拟，用户也可选择LAMMPS进行模拟，其中下载的文件夹中除了力场拓扑文件之外还包含力场参数的文献来源。针对晶体结构支持扩胞操作，此处设置的是5*5*5。

图4 生成冰晶体拓扑结构

MD模拟

在模拟过程中，模拟步长设为２fs，采用Verlet算法来计算运动方程。模拟体系的三个方向均考虑周期性，是体相的模拟。具体的冰融化过程模拟采用NPT系综，从0 K升温到350 K，使用V-rescale控温，参考温度298.15 K, Berendsen控压， 参考压力为 1.01325 bar 。完整的GROMACS的mdp文件输入如下：

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结果分析

冰融化过程的轨迹变化通过VMD作图如下,可以清晰的展现出冰融化过程的体系结构变化。

动画5  冰融化轨迹变化过程

编辑：黄飞