Reaktivní silové pole ReaxFF Tomáš Trnka ttrnka@mail.muni.cz Laboratoř výpočetní chemie (LCC) Národní centrum pro výzkum biomolekul Masarykova univerzita, Brno C8855 2022-03-02 Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 1 / 24 Silová pole, molekulová mechanika ▶ Klasická molekulová mechanika = “kuličky na pružinkách” ▶ Žádné explicitní elektrony, efektivní interakce atomů s okolím ▶ Pohyb atomů řízen klasickou mechanikou ▶ Potenciální energie systému je explicitní funkcí poloh všech atomů ▶ Potenciální energie = součet členů odpovídajících jednotlivým interakcím / vnitřním stupňům volnosti ▶ vazby ▶ ohyb valenčních úhlů ▶ torzní úhly ▶ elektrostatické interakce ▶ repulze (elektrostatická repulze jader a elektronů, Pauliho repulze) ▶ disperzní interakce Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 2 / 24 Klasická silová pole ▶ Jednotlivé členy v MM potenciálu mají typicky jednoduchý empirický tvar: ▶ vazby: harmonické pružiny Ebond,ij = k(rij − r0) ▶ elektrostatika: Coulombovská interakce dvou bodových nábojů Eelst,ij = qiqj rij ▶ disperzní interakce: Edisp,ij = − C r6 ij ▶ Nutno znát parametry (k, qi, C, …) ▶ Sada parametrů = “silové pole” ▶ Přenositelnost silových polí omezená na určitou skupinu systémů ▶ Nutnost zachytit různé chování atomů téhož prvku v závislosti na chemickém okolí => více typů atomů s různými parametry pro jeden prvek ▶ Mnoho kombinací (vazby: páry typů atomů, úhly: trojice, torze: čtveřice) => stovky parametrů Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 3 / 24 Silová pole a chemické reakce ▶ Vazebné a úhlové členy jsou založeny na předdefinovaných vazbách ▶ Nelze popsat chemickou reakci (vazby nemůžou vznikat a zanikat) ▶ Typické řešení: hybridní metody (QM/MM) ▶ Reakční centrum popsáno kvantově-chemicky, zbytek MM silovým polem ▶ Výpočetně náročné (nevhodné pro dlouhé MD simulace) ▶ Složité a náchylné k artefaktům ▶ Nevhodné pro velké systémy s mnoha reakcemi (max. stovky QM atomů) Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 4 / 24 Reaktivní silová pole ▶ Empirické MM potenciály bez předdefinovaných vazeb ▶ 1929: Morseův potenciál ▶ Popis vazebné vibrace diatomické molekuly V(r) = D ( 1 − e−α(r−r0) )2 ▶ Parametry: vazebná energie D, rovnovážná vzdálenost r0, tuhost pružiny kolem minima α ▶ Neomezená tvorba nových vazeb => nepoužitelný pro systémy obsahující více atomů 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 1 2 3 4 5 6 U(r)/D r/r₀ α = 1 α = 2 Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 5 / 24 Reaktivní silová pole ▶ 1985 Abell, 1988 Tersoff: vazebné řády závislé na vzdálenostech okolních atomů ▶ Síla vazebné interakce úměrná vazebnému řádu ▶ Součet vazebných řádů kolem atomu omezený jeho chemickou valencí => použitelné pro víceatomové systémy ▶ 1990 Brenner: REBO (Reactive Empirical Bond Order) ▶ Rozšíření Tersoffova potenciálu (pro Si) pro uhlovodíky ▶ První reaktivní FF pro organickou chemii ▶ 2000 Stuart: AIREBO (Adaptive Intermolecular REBO) ▶ REBO má špatně vdW disperzní interakce (Morseův potenciál není r−6 ) ▶ Oprava: Kombinace REBO s Lennard-Jones 12-6 ▶ LJ interakce kovalentně (1-2 a 1-3) sousedících atomů vyloučeny (běžné v nereaktivních polích) Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 6 / 24 Silové pole ReaxFF ▶ 2001 Adri C. T. van Duin (Caltech, nyní Penn State): reaktivní pole ReaxFF pro uhlovodíky ▶ Společné rysy s REBO, ale z většího odvozené od univerzálního nereaktivního silového pole Delft Molecular Mechanics (van Duin, 1994) ▶ 2008 Chenoweth et al.: finální tvar potenciálu ReaxFF (FF pro oxidaci uhlovodíků – C/H/O) Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 7 / 24 Základní rysy ReaxFF ▶ Základ odvozený od konceptu centrálních sil (jen nevazebné interakce všech párů) – dědictví DMM: ▶ Fluktuující bodové náboje počítané metodou EEM ▶ Morseův potenciál pro všechny páry atomů ▶ Dále doplněny lokální korekce pro správný popis větších molekul ▶ Vazby, úhly a dihedrály, vše úměrné vazebným řádům ▶ Žádné explicitní typy atomů - jen jedna sada parametrů pro každý prvek ▶ Parametry fitovány na geometrie a křivky potenciální energie z QM Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 8 / 24 Členy potenciálu U =Ebond + ELP + Eover + Eunder + Eval + Epen + Ecoa + EC2+ +Etriple + Etors + Econj + EH−bond + EvdWaals + ECoulomb Ebond, Eval, Etors vazby/valenční úhly/dihedrální úhly ELP energie volných elektronových párů Eover, Eunder penalizace pro nad/pod-koordinaci každého atomu Epen penalizace kumulovaných násobných vazeb (allen) Ecoa třícentrová konjugace (karboxyly, nitroskupiny) EC2 destabilizace biradikálů (C2, O2) Econj čtyřcentrová konjugace a aromaticita EvdWaals Morseův potenciál pro všechny páry ECoulomb stíněná Coulombovská interakce EEM nábojů Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 9 / 24 Vazebné řády BO′ ij = BOσ ij + BOπ ij + BOππ ij = e pbo1 ( rij rσ 0 )pbo2 + e pbo3 ( rij rπ 0 )pbo4 + e pbo5 ( rij rππ 0 )pbo6 ▶ “Surové” vazebné řády následně korigovány složitou procedurou tak, aby atomy měly pokud možno očekávané valence a vazby chemicky rozumné řády (0.2→0, 0.8→1, atd.) ▶ Energie vazby je přímo odvozena z korigovaných vazebných řádů (BO) Ebond = −Dσ e · BOσ ij · epbe1(1−(BOσ ij ) pbe2 ) − Dπ e · BOπ ij − Dππ e · BOππ ij Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 10 / 24 Příklad: vazebný řád C-C van Duin et al.; J. Phys. Chem. A, 2001, 105 (41), 9396–9409 Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 11 / 24 Další členy potenciálu ▶ Úhlové a dihedrální členy pro každou dvojici/trojici sousedních vazeb s BO > cutoff ▶ Rovnovážný valenční úhel závisí na sumě π vazebných řádů (hybridizaci): ▶ Žádné π vazby: 109.47° (sp3), s rostoucím podílem π vazeb přes 120° (sp2) až k 180° (sp) ▶ Torzní potenciál: kombinace kosinů s periodou 120° a 180° ▶ Druhý zmiňovaný příspěvek úměrný π charakteru centrální vazby ▶ Všechny nevazebné interakce hladce oříznuty (typicky na 10 Å) Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 12 / 24 Náboje v ReaxFF ▶ Interakce jen na krátkou vzdálenost (10 Å) ▶ Náboje atomů nemůžou být předdefinované (potřeba reagovat na změnu konstituce a prostředí) ▶ Polarizovatelné silové pole – náboje počítány metodou EEM (Mortier et al.: Electronegativity Equalization Method, též QEq - Charge Equillibration) EEEM = ∑ i χiqi + 1 2 ∑ i ηiq2 i + 1 2 ∑ i̸=j qiqj rij ▶ Dva parametry pro atom: elektronegativita χi a tvrdost ηi Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 13 / 24 Výpočet parciálních nábojů ▶ Minimalizace EEEM vázaná zachováním celkového náboje ▶ Soustava EEM lineárních rovnic ηiqi + ∑ j̸=i Jijqj = µ − χi Jij = 1 3 √ 1 γ3 ij + r3 ij ▶ Interakce kovalentně vázaných atomů: nutnost stínění (Louwen-Vogt) ▶ Celkem tři parametry pro každý chemický prvek (χ, η, γ) Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 14 / 24 Struktura silového pole ▶ Žádné explicitní typy atomů - jen jedna sada parametrů pro každý prvek ▶ Zhruba 30 parametrů pro každý chemický prvek, 20 pro každý pár (vazbu), 5 pro úhel/torzi ▶ Vývoj silových polí složitý ▶ Přes 800 parametrů jen pro C/H/O/N ▶ Silné závislosti mezi jednotlivými členy ▶ Fitování na velké trénovací sady QM dat Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 15 / 24 Dostupné parametrizace ▶ Dvě základní větve (rodiny vzájemně částečně kompatibilních silových polí) ▶ “Combustion branch” ▶ Reakce za vysokých teplot ▶ Reaktivita uhlovodíků, hoření, výbušniny, … ▶ “Water branch” ▶ Mírné podmínky, (nejen) vodné roztoky ▶ Degradace materiálů, polymery, … Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 16 / 24 Výhody ReaxFF ▶ Mnohem rychlejší než kvantově-chemické metody ▶ Zhruba 10-100x pomalejší než běžná nereaktivní silová pole ▶ 100k atomů, nanosekundy ▶ Jednoduchá příprava simulace ▶ Srovnatelné s QM, stačí prvky a souřadnice ▶ Netřeba přiřazovat typy atomů či definovat vazby ▶ Dostačující přesnost pro studium mnoha chemických procesů ▶ Široká škála dostupných silových polí pokrývajících většinu prvků Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 17 / 24 Omezení ReaxFF ▶ Špatný popis slabých nekovalentních interakcí ▶ Morseův potenciál místo správné disperze ▶ 10 Å cutoff i pro elektrostatiku ▶ Omezená spolehlivost EEM nábojů ▶ Častá nestabilita EEM modelu způsobující pády simulací ▶ Žádné explicitní elektrony => nelze popsat spinové stavy a redoxní reakce ▶ Nejasná přenositelnost silových polí na nové systémy ▶ Náročná parametrizace a rozšiřování silových polí Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 18 / 24 Modifikace a rozšíření ▶ Nábojový model ACKS2 (T. Verstraelen, Gent) ▶ Složitější alternativa EEM řešící jeho hlavní problémy ▶ Neomezený přenos náboje (každý systém je vodivý) ▶ Neexistence chemicky rozumných iontových stavů (nesprávná disociace) ▶ Špatné škálování polarizovatelnost s velikostí systému ▶ Zatím málo rozšířený, většina FF používá EEM z historických důvodů ▶ ReaxFF-lg: disperzní korekce (Liu et al., W. Goddard; Caltech) ▶ Správný průběh disperzní interakce (r−6 ) ▶ Zatím jen jedno silové pole s potřebnými parametry Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 19 / 24 Modifikace a rozšíření ▶ eReaxFF (Islam et al., PSU): pseudoklasické explicitní elektrony ▶ “Pseudoatomy” El/Eh pro elektrony a díry (bodový náboj ±1) ▶ Můžou se zcela volně pohybovat ▶ Interagují s “overcoordination/undercoordination” členy potenciálu ReaxFF ▶ Studium organických radikálů aj. Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 20 / 24 Software pro ReaxFF ▶ Původní program “reaxff” ▶ Referenční implementace (van Duin) ▶ Pomalý, bez paralelizace, složité vstupy ▶ LAMMPS ▶ Svobodný SW ▶ Implementace ReaxFF převzata z PuReMD (Purdue, H. M. Aktulga) ▶ SCM: Amsterdam Modeling Suite ▶ Komerční ▶ Rychlejší než LAMMPS pro malé a střední systémy ▶ Podpora speciálních modifikací (eReaxFF, ACKS2) ▶ GUI, software pro vývoj silových polí (ParAMS) Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 21 / 24 ReaxFF a biomolekuly ▶ Parametrizace pro glycin (O. Rahaman) a peptidy/proteiny (S. Monti) ▶ Chybí popis správné dynamiky proteinů ▶ Typické aplikace: S. Monti – aminokyseliny/peptidy na zlatých nanočásticích (drug delivery) ▶ LCC NCBR: vývoj metod pro studium enzymatických reakcí pomocí ReaxFF Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 22 / 24 Vybrané aplikace ReaxFF Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 23 / 24 Cvičení: Spalování methanu ▶ $ cd /scratch/$LOGNAME ▶ $ module add adf ▶ $ export SCMLICENSE=/home/tootea/c8855.txt ▶ $ adfinput ▶ Překliknout oranžové políčko na “ReaxAMS” ▶ www.scm.com → Support → ReaxFF Tutorials → Reaction networks ▶ Následovat kroky 1-4 Tomáš Trnka (LCC NCBR MU) ReaxFF C8855 2022-03-02 24 / 24