Name: analyzing melts and fluids from ab initio molecular dynamics simulations with the umd package
Uploaded: 2021-09-17T13:00:00
Duration: 6 min 37 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Analyzing Melts and Fluids from Ab Initio Molecular Dynamics Simulations with the UMD Package at JoVE.com

وقد دعم هذا العمل مجلس البحوث الأوروبي في إطار برنامج الاتحاد الأوروبي لأفق 2020 للبحث والابتكار (اتفاق المنح رقم 681818 IMPACT إلى RC)، ومديرية الفيزياء والكيمياء المتطرفة التابعة لمرصد الكربون العميق، ومجلس البحوث النرويجي من خلال خطة تمويل مراكز التميز، ورقم المشروع 223272. نحن نعترف بالوصول إلى أجهزة الكمبيوتر العملاقة GENCI من خلال سلسلة stl2816 من منح الحوسبة eDARI ، إلى الكمبيوتر العملاق Irene AMD من خلال مشروع PRACE RA4947 ، والحاسوب العملاق Fram من خلال UNINETT Sigma2 NN9697K. وقد تم دعم FS من قبل مشروع ماري Skłodowska-كوري (اتفاق منحة ABISSE No.750901).

<ol>
	<li>Frenkel, D., Smit, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Understanding Molecular Simulation. From Algorithms to Applications. , (2001).</li><li>Allen, M. P., Tildesley, D. J., Allen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Computer Simulation of Liquids. , (1989).</li><li>Zepeda-Ruiz, L. A., Stukowski, A., Oppelstrup, T., Bulatov, V. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+the+limits+of+metal+plasticity+with+molecular-dynamics+simulations.">Probing the limits of metal plasticity with molecular-dynamics simulations.</a> Nature Publishing Group. 550 (7677), 492-495 (2017).</li><li>Humphrey, W., Dalke, A., Schulten, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=VMD:+Visual+molecular+dynamics.">VMD: Visual molecular dynamics.</a> Journal of Molecular Graphics &amp; Modeling. 14 (1), 33-38 (1996).</li><li>Momma, K., Izumi, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=VESTA3+for+three-dimensional+visualization+of+crystal,+volumetric+and+morphology+data.">VESTA3 for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology data.</a> Journal of Applied Crystallography. 44 (6), 1272-1276 (2011).</li><li>Brehm, M., Kirchner, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=TRAVIS+-+A+free+Analyzer+and+Visualizer+for+Monte+Carlo+and+Molecular+Dynamics+Trajectories.">TRAVIS - A free Analyzer and Visualizer for Monte Carlo and Molecular Dynamics Trajectories.</a> Journal of Chemical Information and Modeling. 51 (8), 2007-2023 (2011).</li><li>Stixrude, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualization-based+analysis+of+structural+and+dynamical+properties+of+simulated+hydrous+silicate+melt.">Visualization-based analysis of structural and dynamical properties of simulated hydrous silicate melt.</a> Physics and Chemistry of Minerals. 37 (2), 103-117 (2009).</li><li>Kresse, G., Hafner, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ab+initio+Molecular-Dynamics+for+Liquid-Metals.">Ab initio Molecular-Dynamics for Liquid-Metals.</a> Physical Review B. 47 (1), 558-561 (1993).</li><li>Gygi, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Architecture+of+Qbox:+A+scalable+first-principles+molecular+dynamics+code.">Architecture of Qbox: A scalable first-principles molecular dynamics code.</a> IBM Journal of Research and Development. 52 (1-2), 137-144 (2008).</li><li>Harvey, J. P., Asimow, P. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+limitations+of+molecular+dynamic+simulations+as+probes+of+thermo-physical+behavior+of+silicate+melts.">Current limitations of molecular dynamic simulations as probes of thermo-physical behavior of silicate melts.</a> American Mineralogist. 100 (8-9), 1866-1882 (2015).</li><li>Caracas, R., Hirose, K., Nomura, R., Ballmer, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Melt-crystal+density+crossover+in+a+deep+magma+ocean.">Melt-crystal density crossover in a deep magma ocean.</a> Earth and Planetary Science Letters. 516, 202-211 (2019).</li><li>Green, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Markoff+Random+Processes+and+the+Statistical+Mechanics+of+Time-Dependent+Phenomena.+II.+Irreversible+Processes+in+Fluids.">Markoff Random Processes and the Statistical Mechanics of Time-Dependent Phenomena. II. Irreversible Processes in Fluids.</a> The Journal of Chemical Physics. 22 (3), 398-413 (1954).</li><li>Kubo, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Statistical-Mechanical+Theory+of+Irreversible+Processes.+I.+General+Theory+and+Simple+Applications+to+Magnetic+and+Conduction+Problems.">Statistical-Mechanical Theory of Irreversible Processes. I. General Theory and Simple Applications to Magnetic and Conduction Problems.</a> Journal of the Physical Society of Japan. 12 (6), 570-586 (1957).</li><li>Lin, S. T., Blanco, M., Goddard, W. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+two-phase+model+for+calculating+thermodynamic+properties+of+liquids+from+molecular+dynamics:+Validation+for+the+phase+diagram+of+Lennard-Jones+fluids.">The two-phase model for calculating thermodynamic properties of liquids from molecular dynamics: Validation for the phase diagram of Lennard-Jones fluids.</a> The Journal of Chemical Physics. 119 (22), 11792-11805 (2003).</li><li>Meyer, E. R., Kress, J. D., Collins, L. A., Ticknor, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+correlation+on+viscosity+and+diffusion+in+molecular-dynamics+simulations.">Effect of correlation on viscosity and diffusion in molecular-dynamics simulations.</a> Physical Review E. 90 (4), 1198-1212 (2014).</li><li>Soubiran, F., Militzer, B., Driver, K. P., Zhang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Properties+of+hydrogen,+helium,+and+silicon+dioxide+mixtures+in+giant+planet+interiors.">Properties of hydrogen, helium, and silicon dioxide mixtures in giant planet interiors.</a> Physics of Plasmas. 24 (4), 041401-041407 (2017).</li><li>Flyvbjerg, H., Petersen, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Error+estimates+on+averages+of+correlated+data.">Error estimates on averages of correlated data.</a> The Journal of Chemical Physics. 91 (1), 461-466 (1989).</li><li>Tuckerman, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Statistical mechanics: theory and molecular simulation. , (2010).</li><li>McDonough, W. F., Sun, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+composition+of+the+Earth.">The composition of the Earth.</a> Chemical Geology. 120, 223-253 (1995).</li><li>Elkins-Taton, L. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magma+oceans+in+the+inner+solar+system.">Magma oceans in the inner solar system.</a> Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 40, 113-139 (2012).</li><li>Lock, S. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+origin+of+the+Moon+within+a+terrestrial+synestia.">The origin of the Moon within a terrestrial synestia.</a> J. Geophysical Research: Planets. 123, 910-951 (2018).</li><li>Solomatova, N. V., Caracas, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pressure-induced+coordination+changes+in+a+pyrolitic+silicate+melt+from+ab+initio+molecular+dynamics+simulations.">Pressure-induced coordination changes in a pyrolitic silicate melt from ab initio molecular dynamics simulations.</a> Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 124, 11232-11250 (2019).</li></ol>

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.

تم تصميم حزمة UMD للعمل بشكل أفضل مع محاكاة ab initio ، حيث يقتصر عدد اللقطات عادة على عشرات إلى مئات الآلاف من اللقطات ، مع بضع مئات من الذرات لكل خلية وحدة. كما يمكن أيضا إجراء عمليات محاكاة أكبر شريطة أن يكون لدى الجهاز الذي تعمل عليه المعالجة اللاحقة موارد ذاكرة نشطة كافية. يميز الرمز نفسه بواسطة مجموعة متنوعة من الخصائص التي يمكن حسابها و ترخيص مفتوح المصدر الخاص به.
ملفات .dat umd مناسبة للفرق التي تحافظ على عدد الجسيمات دون تغيير طوال المحاكاة. يمكن لحزمة UMD قراءة الملفات النابعة من الحسابات حيث يختلف شكل وحجم مربع المحاكاة. وتغطي هذه الحسابات الأكثر شيوعا، مثل NVT و NPT، حيث يتم الاحتفاظ بعدد الجسيمات، N، درجة الحرارة T، الحجم، V، و / أو الضغط، P، ثابتة.
في الوقت الذي تبدأ فيه وظيفة توزيع الزوج وكذلك جميع النصوص التي تحتاج إلى تقدير المسافات بين الذرية ، مثل نصوص الأطياف ، تعمل فقط لخلايا الوحدة المتعامدة ، وهذا يعني الخلايا المكعبة والتتراغونية والعظام ، حيث تكون الزوايا بين المحاور 90 درجة.
خطوط التنمية الرئيسية للإصدار 2.0 هي إزالة قيود تقويم الأضلاع للمسافات وإضافة المزيد من الميزات لنصوص المواصفات: لتحليل الروابط الكيميائية الفردية ، وتحليل الزوايا بين الذرية ، وتنفيذ مجال التنسيق الثاني. بمساعدة من التعاون الخارجي، ونحن نعمل على نقل رمز على وحدة معالجة الرسومات لتحليل أسرع في أنظمة أكبر.

السوائل والذوبانات هي ناقلات نقل كيميائية وجسدية نشطة في البيئات الطبيعية. إن ارتفاع معدلات الانتشار الذري لصالح التبادلات والتفاعلات الكيميائية، واللزوجة المنخفضة إلى جانب الطفو المتفاوت لصالح النقل الجماعي الكبير، وعلاقات الكثافة الذائبة بالكريستال تفضل الطبقات داخل الأجسام الكوكبية. إن عدم وجود شعرية دورية ، ودرجات حرارة عالية نموذجية مطلوبة للوصول إلى الحالة المنصهرة ، وصعوبة إخمادها تجعل التحديد التجريبي لسلسلة من الخصائص الواضحة ، مثل الكثافة والنشر واللزوجة ، تحديا للغاية. هذه الصعوبات تجعل الطرق الحسابية البديلة أدوات قوية ومفيدة للتحقيق في هذه الفئة من المواد.
مع ظهور قوة الحوسبة وتوافر أجهزة الكمبيوتر العملاقة ، وتستخدم حاليا اثنين من تقنيات المحاكاة الذرية العددية الرئيسية لدراسة الحالة الديناميكية لنظام ذري غير بلوري ، مونتي كارلو1 والديناميات الجزيئية (MD)1،2. في محاكاة مونتي كارلو يتم أخذ عينات عشوائية من الفضاء التكويني؛ تظهر أساليب مونتي كارلو التحجيم الخطي في موازاة إذا كانت جميع عمليات رصد أخذ العينات مستقلة عن بعضها البعض. تعتمد جودة النتائج على جودة مولد الأرقام العشوائي وتمثيل العينة. تظهر أساليب مونتي كارلو التحجيم الخطي في موازاة إذا كانت العينة مستقلة عن بعضها البعض. في الديناميات الجزيئية (MD) يتم أخذ عينات من الفضاء التكويني من قبل مسارات ذرية تعتمد على الوقت. بدءا من تكوين معين، يتم حساب المسارات الذرية من خلال دمج المعادلات النيوتونية للحركة. يمكن حساب القوى بين الذرية باستخدام إمكانات نموذجية بين الذرية (في MD الكلاسيكية) أو باستخدام أساليب المبادئ الأولى (في ab initio ، أو المبادئ الأولى ، MD). تعتمد جودة النتائج على طول المسار وقدرته على عدم الانجذاب إلى المصغرة المحلية.
تحتوي محاكاة الديناميكيات الجزيئية على عدد كبير من المعلومات ، وكلها تتعلق بالسلوك الديناميكي للنظام. متوسط الخصائص الحرارية، مثل الطاقة الداخلية، ودرجة الحرارة، والضغط، هي معيار إلى حد ما لحساب. ويمكن استخراجها من ملف (ملفات) إخراج المحاكاة ومتوسطها، في حين أن الكميات المتعلقة مباشرة بحركة الذرات وكذلك علاقتها المتبادلة تحتاج إلى حساب بعد استخراج المواقع والسرعات الذرية.
وبالتالي، تم تكريس الكثير من الجهد لتصور النتائج، وحزم مختلفة متاحة اليوم، على منصات مختلفة، مفتوحة المصدر أم لا [Ovito3، VMD4، Vesta5، Travis6، الخ]. كل هذه الأدوات التصور التعامل بكفاءة مع المسافات بين الذرية، وعلى هذا النحو، فإنها تسمح الحساب الفعال لوظائف التوزيع الزوج ومعاملات الانتشار. مجموعات مختلفة أداء محاكاة الديناميات الجزيئية على نطاق واسع لديها برامج الملكية لتحليل مختلف الخصائص الأخرى الناجمة عن المحاكاة، وأحيانا في الأواني المشتركة أو أشكال أخرى من الوصول المحدود إلى المجتمع، ومحدودة في بعض الأحيان في نطاق واستخدام لبعض حزم محددة. يتم تطوير وتنفيذ خوارزميات متطورة لاستخراج معلومات حول الترابط بين الذرية، والأنماط الهندسية، والديناميكا الحرارية في بعض هذه الحزم3،4،5،6،7، الخ.
هنا نقترح حزمة UMD - حزمة مفتوحة المصدر مكتوبة في Python لتحليل إخراج محاكاة الديناميكيات الجزيئية. تسمح حزمة UMD بحساب مجموعة واسعة من الخصائص الهيكلية والديناميكية والدينامية الحرارية (الشكل 1). تتوفر الحزمة عبر موقع GitHub (https://github.com/rcaracas/UMD_package) وعبر صفحة مخصصة (http://moonimpact.eu/umd-package/) لمشروع ERC IMPACT كحزمة مفتوحة الوصول.
لجعله عالميا وأسهل للتعامل معها، نهجنا هو استخراج أولا جميع المعلومات المتعلقة الحالة الدينامية الحرارية والمسارات الذرية من ملف الإخراج من الديناميات الجزيئية الفعلية تشغيل. يتم تخزين هذه المعلومات في ملف مخصص، والذي يكون تنسيقه مستقلا عن حزمة MD الأصلية حيث تم تشغيل المحاكاة. نحن نسمي هذه الملفات "umd" الملفات ، والتي تقف على الديناميات الجزيئية العالمية. وبهذه الطريقة، يمكن استخدام حزمة UMD لدينا بسهولة من قبل أي مجموعة ab initio مع أي برنامج، كل ذلك بأقل جهد للتكيف. الشرط الوحيد لاستخدام الحزمة الحالية هو كتابة المحلل اللغوي المناسب من إخراج برنامج MD معين في تنسيق ملف umd ، إذا لم يكن موجودا بعد. في الوقت الحاضر، ونحن نقدم مثل هذه محللين لحزم VASP8 وQBox9.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61534/61534fig01.jpg"> الشكل 1: مخطط انسيابي لمكتبة UMD. الخصائص الفيزيائية باللون الأزرق ، ونصوص Python الرئيسية وخياراتها باللون الأحمر. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61534/61534fig01large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
ملفات umd هي ASCII ملفات; التمديد النموذجي هو "umd.dat" ولكن ليس إلزاميا. يمكن قراءة كافة مكونات التحليل ASCII ملفات تنسيق umd بغض النظر عن ملحق الاسم الفعلي. ومع ذلك ، فإن بعض البرامج النصية التلقائية المصممة لأداء إحصاءات سريعة على نطاق واسع عبر العديد من المحاكاة تبحث خصيصا عن الملفات مع تمديد .dat umd. يتم التعبير عن كل خاصية فعلية على سطر واحد. يبدأ كل سطر بكلمة رئيسية. وبهذه الطريقة تنسيق قابل للتكيف للغاية ويسمح لخصائص جديدة تضاف إلى ملف umd، كل ذلك مع الحفاظ على قابليتها للقراءة في جميع أنحاء الإصدارات. وترد في الشكل 2 الخطوط ال 30 الأولى من ملف umd لمحاكاة البيرولايت في 4.6 GPa و K 3000 ، وتستخدم أدناه في المناقشة.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61534/61534fig02.jpg"> الشكل 2: بداية ملف umd تصف محاكاة البيروليت السائل في 4.6 GPa و 3000 K. يتبع الرأس وصف كل لقطة. تتم كتابة كل خاصية على سطر واحد، تحتوي على اسم الخاصية الفعلية والقيمة (القيم) والوحدات، ويتم فصلها جميعا بمسافات. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61534/61534fig02large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
تحتوي جميع ملفات umd على رأس يصف محتوى خلية المحاكاة: عدد الذرات والإلكترونات والأنواع الذرية ، بالإضافة إلى تفاصيل لكل ذرة ، مثل نوعها ورمزها الكيميائي وعدد إلكترونات التكافؤ وكتلتها. خط فارغ يمثل نهاية الرأس ويفصله عن الجزء الرئيسي من ملف umd.
ثم يتم تفصيل كل خطوة من المحاكاة. أولا، يتم إعطاء المعلمات الحرارية الفورية، كل منها على خط مختلف، مع تحديد (1) اسم المعلمة، مثل الطاقة، والضغوط، والضغط الهيدروستاتيكي المكافئ، والكثافة، والحجم، ومعلمات شعرية، وما إلى ذلك، (2) قيمتها (ق)، و (3) وحداتها. جدول يصف الذرات يأتي بعد ذلك. خط رأس يعطي تدابير مختلفة، مثل المواقف الديكارتية، والسرعات، والتهم، وما إلى ذلك، ووحداتها. ثم يتم تفصيل كل ذرة على سطر واحد. بواسطة مجموعات من ثلاثة، المقابلة لثلاثة x، ص، ض محاور، وإدخالات هي: المواقف المخفضة، والمواقف الديكارتية مطوية في خلية المحاكاة، والمواقف الديكارتية (التي تأخذ في الاعتبار بشكل صحيح حقيقة أن الذرات يمكن أن تعبر عدة خلايا وحدة خلال المحاكاة)، والسرعات الذرية، والقوى الذرية. آخر إدخالين هما التحجيم: الشحن واللحظة المغناطيسية.
مكتبتان رئيسيتان تضمنان حسن سير العمل في المجموعة بأكملها. تتعامل مكتبة umd_process.py مع ملفات umd ، مثل القراءة والطباعة. وتتعامل مكتبة crystallography.py مع جميع المعلومات المتعلقة بالهيكل الذري الفعلي. الفلسفة الأساسية للمكتبة crystallography.py هي التعامل مع الشبكة كمساحة متجهة. تمثل معلمات الخلية الوحدة مع اتجاهها المتجهات الأساسية. يحتوي "الفضاء" على سلسلة من السمات التوسعية (حجم محدد وكثافة ودرجة حرارة وعدد محدد من الذرات) وخصائص ديناميكية حرارية (الطاقة الداخلية والضغط وسعة الحرارة وما إلى ذلك) وسلسلة من الخصائص الشدية (الإجهاد والمرونة). الذرات تملأ هذا الفضاء. تعرف فئة "شعرية" هذه المجموعة ، إلى جانب حسابات قصيرة قليلة مختلفة ، مثل حجم محدد وكثافة والحصول على شعرية متبادلة من الشبكة المباشرة ، إلخ. تعرف فئة "الذرات" الذرات. وهي تتميز بسلسلة من الخصائص التحجيمية (الاسم والرمز والكتلة وعدد الإلكترونات وما إلى ذلك) وسلسلة من الخصائص المتجهية (الموقع في الفضاء ، إما بالنسبة إلى الأساس المتجهي الموصوف في فئة شعرية ، أو بالنسبة للإحداثيات الديكارتية العالمية ، والسرعات ، والقوى ، وما إلى ذلك). وبصرف النظر عن هاتين الفئتين، تحتوي مكتبة crystallography.py على سلسلة من الوظائف لإجراء مجموعة متنوعة من الاختبارات والحسابات، مثل المسافات الذرية، أو ضرب الخلايا. كما يتم تضمين الجدول الدوري للعناصر كقاموس.
المكونات المختلفة لحزمة umd كتابة عدة ملفات الإخراج. كقاعدة عامة، يتم كافة ملفات ASCII، يتم فصل كافة الإدخالات الخاصة بهم بواسطة علامات التبويب، ويتم إجراؤها كما تفسيرية قدر الإمكان. على سبيل المثال، أنها تشير دائما بوضوح إلى الممتلكات المادية ووحداتها. تتوافق ملفات .dat umd تماما مع هذه القاعدة.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>getopt library</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>open-source</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>glob library</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>open-source</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>matplotlib library</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>open-source</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>numpy library</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>open-source</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>os library</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>open-source</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Python software</td>
			<td>The Python Software Foundation</td>
			<td>Version 2 and 3</td>
			<td>open-source</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>random library</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>open-source</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>re library</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>open-source</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>scipy library</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>open-source</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>subprocess library</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>open-source</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>sys library</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>open-source</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

analyzing melts and fluids from ab initio molecular dynamics simulations with the umd package

لقد قمنا بتطوير حزمة مفتوحة المصدر تستند إلى Python لتحليل النتائج النابعة من محاكاة ab initio للديناميكيات الجزيئية للسوائل. الحزمة هي الأنسب للتطبيقات على النظم الطبيعية، مثل سيليكات وأكسيد يذوب، والسوائل القائمة على الماء، ومختلف السوائل فوق الحرجة. الحزمة هي مجموعة من البرامج النصية بيثون التي تشمل مكتبتين رئيسيتين تتعامل مع تنسيقات الملفات ومع علم البلورات. يتم تشغيل كافة البرامج النصية في سطر الأوامر. نقترح تنسيقا مبسطا لتخزين المسارات الذرية والمعلومات الديناميكية الحرارية ذات الصلة للمحاكاة ، والتي يتم حفظها في ملفات UMD ، لتقف على الديناميكيات الجزيئية العالمية. تسمح حزمة UMD بحساب سلسلة من الخصائص الهيكلية والنقل والديناميكية الحرارية. بدءا من وظيفة توزيع الزوج يحدد أطوال السندات، ويبني مصفوفة اتصال بين الذرية، ويحدد في نهاية المطاف الطيف الكيميائي. تحديد عمر الأنواع الكيميائية يسمح بإجراء تحليل إحصائي كامل. ثم تحسب النصوص المخصصة الإزاحات المتوسطة المربعة للذرات وكذلك للأنواع الكيميائية. 11 - ويسفر تحليل الارتباط الذاتي المنفذ للسرعات الذرية عن معاملات الانتشار والطيف الاهتزازي. نفس التحليل المطبق على الضغوط يعطي اللزوجة. تتوفر الحزمة عبر موقع GitHub وعبر صفحتها المخصصة لمشروع ERC IMPACT كحزمة وصول مفتوحة.

البيروليت هو نموذج متعدد المكونات سيليكات تذوب (0.5Na2O 2CaO 1.5Al2O3 4FeO 30MgO 24SiO2) الذي يقترب على أفضل وجه من تكوين الأرض السيليكات السائبة - المتوسط الجيوكيميائية أو كوكبنا بأكمله، باستثناء نواته القائمة على الحديد19. سيطر على الأرض في وقت مبكر من قبل سلسلة من الأحداث ذوبان واسعة النطاق20، وآخر واحد قد اجتاحت الكوكب بأكمله، بعد تكثيفه للقرص protolunar21. ويمثل البيروليت أفضل ما يقرب من تكوين محيطات الصهارة على نطاق كوكبي. وبالتالي، درسنا على نطاق واسع الخصائص الفيزيائية للذوبان البيروليت في نطاق درجة الحرارة 3000\u20125،000 K و 0\u2012150 GPa نطاق الضغط من المحاكاة ab initio الجزيئية الديناميات في تنفيذ VASP. هذه الظروف الدينامية الحرارية تميز تماما ظروف المحيط الصهارة الأكثر تطرفا على الأرض. دراستنا هي مثال ممتاز على الاستخدام الناجح لحزمة UMD للتحليل المتعمق الكامل للذوبان22. قمنا بحساب التوزيع ومتوسط أطوال السندات ، وتتبعنا التغيرات في التنسيق بين cation والأكسيجين ، وقارنا نتائجنا بالدراسات التجريبية والحسابية السابقة على السيليكات غير المتبلور من مختلف التراكيب. ساعد تحليلنا المتعمق على تحليل أرقام التنسيق القياسية في مكوناتها الأساسية ، وتحديد وجود بوليهيدرا التنسيق الغريبة في الذوبان ، واستخراج العمر لجميع بوليهيدرا التنسيق. كما أوجزت أهمية أخذ العينات في عمليات المحاكاة من حيث طول المسار وكذلك عدد الذرات الموجودة في النظام الذي تم نمذجته. أما بالنسبة للمعالجة اللاحقة، فإن تحليل UMD مستقل عن هذه العوامل، ومع ذلك، ينبغي أن تؤخذ في الاعتبار عند تفسير النتائج التي توفرها حزمة UMD. هنا، نعرض بعض الأمثلة على كيفية استخدام حزمة UMD لاستخراج العديد من الميزات المميزة للذوبان، مع تطبيق للبيروليت المنصهر.
تظهر وظيفة توزيع زوج Si-O التي تم الحصول عليها من النص gofrs_umd.py أن نصف قطر مجال التنسيق الأول ، وهو الحد الأدنى الأول لوظيفة g(r) ، يقع حول 2.5 angstroms في T = 3000 K و P = 4.6 GPa. الحد الأقصى للز (ص) يكمن في 1.635 Å- وهذا هو أفضل تقريب لطول الانحناء. الذيل الطويل بسبب درجة الحرارة. باستخدام هذا الحد كمسافة السندات Si-O، يظهر تحليل المواصفات أن وحدات SiO4، التي يمكن أن تستمر لمدة تصل إلى بضعة بيكوثانية، تهيمن على الذوبان (الشكل 5). هناك جزء مهم من الذوبان الذي يظهر البلمرة الجزئية ، كما ينعكس في وجود ديمرات مثل Si2O7 ، والديكورات مثل وحدات Si3Ox. حياتهم المقابلة هي في ترتيب picosecond. البوليمرات عالية الترتيب كلها أقصر بكثير مدى الحياة.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61534/61534fig05.jpg"> الشكل 5: عمر الأنواع الكيميائية Si-O. يتم تحديد الطيف في ذوبان متعدد المكونات في 4.6 GPa و 3000 K. علامات التسميات SiO3، SiO4، وsiO5 مونومرات والبوليمرات SixOy المختلفة. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61534/61534fig05large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
القيم المختلفة للخطوات العمودية والأفقية، التي تعرفها علامات -z و-v أعلاه، تعطي عينات مختلفة من MSD (الشكل 6). حتى القيم الكبيرة من z و v كافية لتحديد المنحدرات وبالتالي معاملات الانتشار للذرات المختلفة. مكسب في الوقت المناسب لمعالجة ما بعد لافت للنظر عند الذهاب إلى قيم كبيرة من ض و الخامس. يقدم MSD معيارا قويا جدا للتحقق من جودة المحاكاة. إذا لم يكن جزء نشر MSD طويلا بما فيه الكفاية ، فبهذه الإشارة تكون المحاكاة قصيرة جدا ، وتفشل في الوصول إلى الحالة السائلة بالمعنى الإحصائي. الحد الأدنى من متطلبات نشر جزء من MSD يعتمد اعتمادا كبيرا على النظام. يمكن للمرء أن يتطلب أن جميع الذرات تغيير موقعها مرة واحدة على الأقل في هيكل ذوبان من أجل أن ينظر إليها على أنها fluid10. مثال ممتاز مع التطبيقات في علوم الكواكب هو السيليكات المعقدة يذوب في ضغوط عالية قريبة من أو حتى تحت خط liquidus بهم11. ذرات Si ، والكاتيونات الرئيسية لتشكيل الشبكة ، والتبديل المواقع بعد أكثر من عشرين picoseconds. وستكون عمليات المحاكاة التي تقل عن هذه العتبة أقل بكثير من أخذ عينات من الحيز التكويني المحتمل. ومع ذلك ، كما anions التنسيق ، وهي ذرات O ، تتحرك بشكل أسرع من ذرات Si المركزية ، فإنها يمكن أن تعوض عن جزء من الحركة البطيئة لل Si. على هذا النحو ، يمكن للنظام بأكمله أن يغطي بالفعل عينة أفضل من المساحة التكوينية مما يفترض فقط من عمليات الإزاحة Si.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61534/61534fig06.jpg"> الشكل 6: الإزاحة المتوسطة المربعة (MSD). ويتضح MSD لبضعة أنواع ذرية من ذوبان السيليكات متعدد المكونات. أخذ العينات مع مختلف الخطوات الأفقية والعمودية، ض والخامس، تسفر عن نتائج متسقة. دوائر صلبة: -z 50 -v 50. الدوائر المفتوحة: -z 250 -v 500. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61534/61534fig06large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
وأخيرا، فإن وظائف VAC الذرية تسفر عن الطيف الاهتزازي للذوبان. ويبين الشكل 7 الطيف في نفس ظروف الضغط ودرجة الحرارة المذكورة أعلاه. نحن نمثل مساهمات ذرات Mg و Si و O ، بالإضافة إلى القيمة الإجمالية. عند التردد الصفري هناك قيمة محدودة للطيف ، والتي تتوافق مع طابع انتشار الذوبان. استخراج خصائص الديناميكا الحرارية من الطيف الاهتزازي يحتاج إلى إزالة هذا الطابع نشر مثل الغاز من الصفر ولكن أيضا أن تأخذ في الاعتبار بشكل صحيح تسوسها في ترددات أعلى.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61534/61534fig07.jpg"> الشكل 7: الطيف الاهتزازي للبيروليت يذوب. الجزء الحقيقي من تحويل فورييه من سرعة الذرية سرعة وظيفة الارتباط الذاتي تسفر عن الطيف الاهتزازي. هنا يتم حساب الطيف لذوبان سيليكات متعدد المكونات. السوائل لها طابع نشر غير صفري يشبه الغاز عند تردد صفري. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61534/61534fig07large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Analyzing Melts and Fluids from Ab Initio Molecular Dynamics Simulations with the UMD Package at JoVE.com

Analyzing Melts and Fluids from Ab Initio Molecular Dynamics Simulations with the UMD Package

الذوبان والسوائل هي ناقلات في كل مكان من النقل الجماعي في النظم الطبيعية. لقد قمنا بتطوير حزمة مفتوحة المصدر لتحليل محاكاة ab initio للديناميكيات الجزيئية لمثل هذه الأنظمة. نحن حساب الهيكلية (الترابط والتكتلات، والتكهنات الكيميائية)، والنقل (نشر، اللزوجة) والخصائص الحرارية (الطيف الاهتزازي).

تحليل يذوب والسوائل من المحاكاة Ab Initio الديناميات الجزيئية مع حزمة UMD

We have developed a Python-based open-source package to analyze the results stemming from ab initio molecular-dynamics simulations of fluids. The package ...

تحليل المبادئ الأولى محاكاة الديناميات الجزيئية يسمح لنا للتنبؤ بدقة الخصائص الفيزيائية والكيميائية للسوائل. يمكن تطبيق هذه الطريقة على أي تحليل ذري في الفيزياء والكيمياء. للبدء، استخراج كل مجموعة محددة من الخصائص الفيزيائية باستخدام واحد أو أكثر من البرامج النصية بيثون مخصصة من الحزمة.تشغيل كافة البرامج النصية في سطر الأوامر. انهم جميعا استخدام سلسلة من الأعلام ، والتي هي متسقة قدر الإمكان من سيناريو واحد إلى آخر. تحويل إخراج محاكاة MD التي أجريت في رمز المبادئ الأولى إلى ملف UMD، ثم نقل الملفات umd إلى ملفات xyz لتسهيل التصور على حزم أخرى مختلفة، مثل VMD أو VESTA.عكس ملف UMD إلى ملفات POSCAR من نوع VASP باستخدام umd2poscar. py script، اختيار لقطات من المحاكاة مع تردد محدد مسبقا. تشغيل gofrs_umd.يتم كتابة البرنامج النصي py لحساب وظيفة توزيع الزوج لجميع أزواج من الأنواع الذرية A و B.The الإخراج في علامة تبويب ملف ASCII واحدة مفصولة مع gofrs التمديد.dat. استخراج متوسط مسافات السندات بين الذرية كما radii من مجالات التنسيق الأولى. لهذا، حدد موضع الحد الأقصى الأول من وظائف توزيع الزوج عن طريق رسم gofrs.dat ملف في تطبيق جدول البيانات والبحث عن الحد الأقصى وminima لكل زوج من الذرات ، ثم تحديد نصف قطرها من مجال التنسيق الأول والحد الأدنى الأول من قوات الدفاع الشعبي باستخدام برنامج جدول البيانات. تشغيل البرنامج النصي speciation للحصول على مصفوفة الاتصال والحصول على تنسيق polyhedra أو البلمرة. تشغيل speciation_umd.py script مع العلامة r0، الذي عينات الرسم البياني الاتصال في المستوى الأول لتحديد تنسيق polyhedra. تشغيل speciation_umd. py script مع العلم r1، الذي عينات الرسم البياني الاتصال في جميع مستويات العمق للحصول على البلمرة.رسم عمر كل مجموعة ذرية من جميع الأنواع الكيميائية الموجودة في المحاكاة كما وجدت في حطاطة. dat الملفات. استخراج متوسط الإزاحة المربعة أو MSD للذرات كدالة للوقت للحصول على الانتشار الذاتي ، ثم حساب MSD باستخدام سلسلة من msd_umd.البرامج النصية py وحساب متوسط MSD من كل نوع الذرية. حساب MSD من كل ذرة والأنواع الكيميائية. رسم MSD باستخدام برنامج يستند إلى جدول بيانات وحساب معاملات الانتشار من منحدر MSD.تشغيل vibr_spectrum_umd. py النصي لحساب سرعة الذرية autocorrelation السرعة أو VAC وظيفة لكل نوع الذرية وأداء سريع فورييه تحويل. رسم الطيف الاهتزازي من vibr.dat ملف باستخدام برنامج مثل جدول البيانات. تحديد القيمة المحدودة في أوميغا يساوي صفر التي تتوافق مع الطابع الانتشاري للسائل في قمم مختلفة من الطيف في تردد محدود. تشغيل المتوسطات.py لاستخراج متوسط القيم والانتشار للضغط ودرجة الحرارة والكثافة والطاقة الداخلية من ملفات UMD. وأخيرا، تشغيل المتوسطات الكاملة. py النصي لإجراء التحليل الإحصائي الكامل بما في ذلك خطأ من المتوسط.البيروليت هو نموذج متعدد المكونات سيليكات تذوب أن أفضل يقترب من تكوين الأرض سيليكات السائبة. تم استخدام حزمة UMD لاستخراج العديد من الميزات المميزة للبيروليت المنصهر. الحد الأقصى لوظيفة توزيع زوج السيليكون والأوكسجين يكمن في 1.635 angstrom، وهو أفضل تقريب لطول الانحناء.باستخدام هذا الحد كمسافة السندات السيليكون والأوكسجين، وتحليل المواصفات يظهر أن وحدات تقويم العظام التي يمكن أن تستمر لمدة تصل إلى عدد قليل من picoseconds تهيمن على ذوبان. هناك جزء مهم من الذوبان الذي يظهر البلمرة الجزئية كما ينعكس من خلال وجود ديمير مثل disilicate وتريمرز مثل وحدات Si3Ox. حياتهم المقابلة هي في ترتيب picosecond.البوليمرات أعلى ترتيب جميع أقصر بكثير مدى الحياة. القيم المختلفة للخطوات العمودية والأفقية تسفر عن عينات مختلفة من MSD. حتى القيم الكبيرة من Z و V كافية لتحديد المنحدرات وبالتالي معاملات الانتشار للذرات المختلفة.وقت ما بعد المعالجة يزيد بشكل كبير لقيم كبيرة من Z و V.Finally، وظائف التصحيح التلقائي السرعة الذرية تسفر عن الطيف الاهتزازي للذوبان. تظهر هنا مساهمات المغنيسيوم والسيليكون وذرات الأكسجين، بالإضافة إلى القيمة الإجمالية. عند محاولة هذا البروتوكول، تحقق دائما التقارب.تأكد من أن المسارات الذرية طويلة بما يكفي لالتقاط الظاهرة التي تهتم بها بشكل صحيح. تغطي هذه التقنية نتائج المحاكاة بعد المعالجة. ويجب أن تتم عمليات المحاكاة وتحليلها بالتوازي.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Isolation and Chemical Characterization of Lipid A from Gram-negative Bacteria

عزل وتوصيف المواد الكيميائية من الدهن من البكتيريا سالبة الجرام

Lipopolysaccharide (LPS) is the major cell surface molecule of gram-negative bacteria, deposited on the outer leaflet of the outer membrane bilayer. LPS ...

Analyzing Protein Dynamics Using Hydrogen Exchange Mass Spectrometry

تحليل ديناميات البروتين عن طريق صرف الهيدروجين الطيف الكتلي

All cellular processes depend on the functionality of proteins. Although the functionality of a given protein is the direct consequence of its unique ...

Visualizing Lignification Dynamics in Plants with Click Chemistry: Dual Labeling is BLISS!

تصور "ديناميات ليجنيفيكيشن" في النباتات مع "انقر فوق الكيمياء": "وسم المزدوج" هو النعيم!

Lignin is one of the most prevalent biopolymers on the planet and a major component of lignocellulosic biomass. This phenolic polymer plays a vital ...

Combustion Chemistry of Fuels: Quantitative Speciation Data Obtained from an Atmospheric High-temperature Flow Reactor with Coupled Molecular-beam Mass Spectrometer

كيمياء احتراق الوقود: انتواع كمية البيانات المتحصل عليها من على مفاعل الغلاف الجوي درجات حرارة عالية تدفق مع اقتران مطياف كتلة جزيئية شعاع

This manuscript describes a high-temperature flow reactor experiment coupled to the powerful molecular beam mass spectrometry (MBMS) technique. This ...

Probing the Structure and Dynamics of Interfacial Water with Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy

سبر بنية وديناميات مياه السطح البيني مع مسح نفق مجهر والتحليل الطيفي

Water/solid interfaces are ubiquitous and play a key role in many environmental, biophysical, and technological processes. Resolving the internal ...

A Closed-Type Wireless Nanopore Electrode for Analyzing Single Nanoparticles

قطب نانوبوري لاسلكية مغلقة لتحليل واحد جسيمات نانوية

Measuring the intrinsic features of single nanoparticles by nanoelectrochemistry holds deep fundamental importance and has potential impacts in ...

Multiscale Sampling of a Heterogeneous Water/Metal Catalyst Interface using Density Functional Theory and Force-Field Molecular Dynamics

عينات متعددة النطاقات من "واجهة محفز" المياه/المعادن غير المتجانسة باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية وديناميات الجزيئية القوة الميدانية

A significant number of heterogeneously-catalyzed chemical processes occur under liquid conditions, but simulating catalyst function under such conditions ...

Vibrational Spectra of a N719-Chromophore/Titania Interface from Empirical-Potential Molecular-Dynamics Simulation, Solvated by a Room Temperature Ionic Liquid

الأطياف الاهتزازية من N719-Chromophore/Titania واجهة من المحاكاة التجريبية المحتملة الجزيئية الديناميكية، سولفاتيد بواسطة سائل أيوني درجة حرارة الغرفة

The accurate molecular simulation prediction of vibrational spectra, and other structural, energetic and spectral characteristics, of photo-active ...

Computation of Atmospheric Concentrations of Molecular Clusters from ab initio Thermochemistry

Computation of Atmospheric Concentrations of Molecular Clusters from ab initio Thermochemistry

حساب تركيزات الغلاف الجوي للمجموعات الجزيئية من الكيمياء الحرارية ab initio

The computational study of the formation and growth of atmospheric aerosols requires an accurate Gibbs free energy surface, which can be obtained from gas ...

Interactive Molecular Model Assembly with 3D Printing

التفاعلية تجميع نموذج الجزيئية مع الطباعة 3D

With the growth in accessibility of 3D printing, there has been a growing application of and interest in additive manufacturing processes in chemical ...