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

Bu çalışma, Avrupa Birliği Horizon 2020 araştırma ve inovasyon programı (RC'ye IMPACT 681818 hibe anlaşma numarası) kapsamında Avrupa Araştırma Konseyi (ERC), Derin Karbon Gözlemevi Aşırı Fizik ve Kimya Direktörlüğü ve Norveç Araştırma Konseyi tarafından Mükemmeliyet Merkezleri finansman programı, proje numarası 223272 aracılığıyla desteklendi. GENCI süper bilgisayarlarına stl2816 serisi eDARI bilgi işlem hibeleri aracılığıyla, PRACE RA4947 projesi aracılığıyla Irene AMD süper bilgisayarına ve UNINETT Sigma2 NN9697K aracılığıyla Fram süper bilgisayarına erişimi kabul ediyoruz. FS, Marie Skłodowska-Curie projesi (ABISSE No.750901 hibe anlaşması) tarafından desteklenmiştir.

<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>

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

UMD paketi, anlık görüntü sayısının genellikle birim hücre başına birkaç yüz atomla on ila yüz binlerce anlık görüntüyle sınırlı olduğu ab initio simülasyonlarıyla daha iyi çalışacak şekilde tasarlanmıştır. daha büyük simülasyonlar, işlem sonrası çalıştırmaların üzerinde çalıştığı makinenin yeterli aktif bellek kaynağına sahip olması koşuluyla da uygulanabilir. Kod, hesaplayabileceği özelliklerin çeşitliliği ve açık kaynak lisansı ile kendini ayırt eder.
UMD.dat dosyaları, simülasyon boyunca değişmeyen parçacık sayısını koruyan topluluklar için uygundur. UMD paketi, simülasyon kutusunun şeklinin ve hacminin değiştiği hesaplamalardan kaynaklanan dosyaları okuyabilir. Bunlar, parçacık sayısının, N, sıcaklık T, hacim, V ve/veya basınç, P'nin sabit tutulduğu NVT ve NPT gibi en yaygın hesaplamaları kapsar.
Çift dağıtım işlevinin yanı sıra, belirtim komut dosyaları gibi interatomik mesafeleri tahmin etmek için gereken tüm komut dosyaları için, yalnızca eksenler arasındaki açıların 90 ° olduğu kübik, tetragonal ve ortotoromik hücreler anlamına gelen ortogonal birim hücreleri için çalışır.
Sürüm 2.0 için temel geliştirme hatları, mesafeler için ortogonalite kısıtlamasının kaldırılması ve speciation komut dosyaları için daha fazla özellik eklenmesidir: bireysel kimyasal bağları analiz etmek, atomlar arası açıları analiz etmek ve ikinci koordinasyon alanını uygulamak. Harici işbirliğinin yardımıyla, daha büyük sistemlerde daha hızlı analiz için kodu bir GPU'ya taşıma üzerinde çalışıyoruz.

Sıvılar ve erimeler doğal ortamlarda aktif kimyasal ve fiziksel taşıma vektörleridir. Atomik difüzyonun yüksek oranları kimyasal değişimleri ve reaksiyonları, değişen yüzdürme gücü ile birleştiğinde düşük viskozite büyük kütle transferini ve kristal eriyik yoğunluklu ilişkileri gezegensel cisimlerin içinde katmanlaşmayı tercih eder. Periyodik bir kafesin yokluğu, erimiş duruma ulaşmak için gereken tipik yüksek sıcaklıklar ve söndürme zorluğu, yoğunluk, difüzyon ve viskozite gibi bir dizi belirgin özelliğin deneysel olarak belirlenmesini son derece zor hale getirir. Bu zorluklar, alternatif hesaplama yöntemlerini bu malzeme sınıfını araştırmak için güçlü ve kullanışlı araçlar haline getirir.
Bilgi işlem gücünün ortaya çıkması ve süper bilgisayarların kullanılabilirliği ile, şu anda kristal olmayan atomist bir sistemin dinamik durumunu incelemek için iki ana sayısal atomistik simülasyon tekniği unun, Monte Carlo1 ve moleküler dinamiklerin (MD)1,2. Monte Carlo simülasyonlarında yapılandırma alanı rastgele örneklenmiştir; Monte Carlo yöntemleri, tüm örnekleme gözlemleri birbirinden bağımsızsa paralelleştirmede doğrusal ölçekleme gösterir. Sonuçların kalitesi rastgele sayı üretecinin kalitesine ve örneklemenin temsiline bağlıdır. Monte Carlo yöntemleri, örnekleme birbirinden bağımsızsa paralelleştirmede doğrusal ölçeklendirme gösterir. Moleküler dinamiklerde (MD) yapılandırma alanı zamana bağlı atomik yörüngelerle örneklenmiştir. Belirli bir konfigürasyondan başlayarak, atomik yörüngeler Newton hareket denklemleri entegre ederek hesaplanır. Interatomik kuvvetler, model interatomik potansiyelleri (klasik MD'de) veya birinci prensip yöntemleri (ab initio veya ilk prensipler, MD) kullanılarak hesaplanabilir. Sonuçların kalitesi, yörüngenin uzunluğuna ve yerel minimaya ilgi çekmeme yeteneğine bağlıdır.
Moleküler dinamik simülasyonları, hepsi sistemin dinamik davranışıyla ilgili çok sayıda bilgi içerir. İç enerji, sıcaklık ve basınç gibi termodinamik ortalama özellikleri hesaplamak için oldukça standarttır. Simülasyonların çıktı dosyalarından çıkarılabilir ve ortalamalandırılabilirler, oysa atomların hareketi ve karşılıklı ilişkileri ile ilgili miktarların atom konumlarının ve hızlarının çıkarılmasından sonra hesaplanması gerekir.
Sonuç olarak, sonuçları görselleştirmek için çok çaba sarf edildi ve çeşitli paketler bugün farklı platformlarda, açık kaynak kodla veya değil [Ovito3, VMD4, Vesta5, Travis6, vb.] mevcut. Tüm bu görselleştirme araçları, atomlar arası mesafelerle verimli bir şekilde ilgilenir ve bu nedenle çift dağıtım işlevlerinin ve difüzyon katsayılarının verimli bir şekilde hesaplanmasına izin verir. Büyük ölçekli moleküler dinamik simülasyonları gerçekleştiren çeşitli gruplar, simülasyonlardan kaynaklanan diğer çeşitli özellikleri analiz etmek için özel bir yazılıma sahiptir, bazen paylaşım yazılımında veya diğer sınırlı erişim biçimlerinde ve bazen kapsam ve kullanım olarak bazı belirli paketlerle sınırlıdır. Bu paketlerin bazılarında atomlararası yapıştırma, geometrik desenler ve termodinamik hakkında bilgi almak için gelişmiş algoritmalar geliştirilir ve uygulanır3,4,5,6,7, vb.
Burada, moleküler dinamik simülasyonlarının çıktısını analiz etmek için Python'da yazılmış açık kaynaklı bir paket olan UMD paketini öneriyoruz. UMD paketi, çok çeşitli yapısal, dinamik ve termodinamik özelliklerin hesaplanmasına izin verir (Şekil 1). Paket, GitHub web sitesi (https://github.com/rcaracas/UMD_package) ve ERC IMPACT projesinin özel bir sayfası (http://moonimpact.eu/umd-package/) aracılığıyla açık erişim paketi olarak kullanılabilir.
Evrensel ve kullanımı daha kolay hale getirmek için, yaklaşımımız öncelikle termodinamik durum ve atomik yörüngelerle ilgili tüm bilgileri gerçek moleküler dinamiklerin çalışma çıktı dosyasından çıkarmaktır. Bu bilgiler, biçimi simülasyonun çalıştırıldığı özgün MD paketinden bağımsız olan ayrılmış bir dosyada depolanır. Bu dosyalara Evrensel Moleküler Dinamik anlamına gelen "umd" dosyaları adını verdik. Bu şekilde, UMD paketimiz herhangi bir ab initio grubu tarafından herhangi bir yazılımla, hepsi minimum adaptasyon çabasıyla kolayca kullanılabilir. Mevcut paketi kullanmanın tek gereksinimi, henüz mevcut değilse, belirli bir MD yazılımının çıktısından umd dosya biçimine uygun ayrıştırıcıyı yazmaktır. Şimdilik VASP8 ve QBox9 paketleri için bu tür ayrıştırıcılar sağlıyoruz.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61534/61534fig01.jpg"> Şekil 1: UMD kitaplığının akış çizelgesi. Fiziksel özellikler mavi, büyük Python komut dosyaları ve seçenekleri kırmızıdır. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61534/61534fig01large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
UMD dosyaları ASCII dosyalarıdır; tipik uzantı "umd.dat" dir, ancak zorunlu değildir. Tüm analiz bileşenleri, gerçek ad uzantısından bağımsız olarak UMD biçimindeki ASCII dosyalarını okuyabilir. Bununla birlikte, birkaç simülasyon üzerinden hızlı büyük ölçekli istatistikler gerçekleştirmek için tasarlanan bazı otomatik komut dosyaları, özellikle umd.dat uzantılı dosyaları arar. Her fiziksel özellik tek bir satırda ifade edilir. Her satır bir anahtar kelime ile başlar. Bu şekilde biçim son derece uyarlanabilir ve umd dosyasına yeni özelliklerin eklenmesine izin verirken, sürümler boyunca okunabilirliğini korur. Tartışmada aşağıda kullanılan 4.6 GPa ve 3000 K'daki pirolit simülasyonunun umd dosyasının ilk 30 satırı Şekil 2'de gösterilmiştir.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61534/61534fig02.jpg"> Şekil 2: 4.6 GPa ve 3000 K'da sıvı pirolit simülasyonu açıklayan umd dosyasının başlangıcı. Üstbilgiyi her anlık görüntünün açıklaması izler. Her özellik, fiziksel özelliğin adını, değerleri ve birimleri içeren, tümü boşluklarla ayrılmış bir satıra yazılır. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61534/61534fig02large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
Tüm UMD dosyaları simülasyon hücresinin içeriğini açıklayan bir başlık içerir: atomların, elektronların ve atom türlerinin sayısının yanı sıra türü, kimyasal sembolü, değer elektronlarının sayısı ve kütlesi gibi her atom için ayrıntılar. Boş bir satır üstbilginin sonunu işaretler ve umd dosyasının ana bölümünden ayırır.
Daha sonra simülasyonun her adımı ayrıntılı olarak uzadır. İlk olarak, her biri farklı bir çizgide, (i) enerji, gerilmeler, eşdeğer hidrostatik basınç, yoğunluk, hacim, kafes parametreleri vb. Sırada atomları tanımlayan bir tablo geliyor. Başlık satırı, Kartezyen konumları, hızları, ücretleri vb. Sonra her atom bir satırda detaylandırılıyor. Üç x, y, z eksenine karşılık gelen üç gruba göre, girişler şunlardır: azaltılmış konumlar, simülasyon hücresine katlanmış Kartezyen konumları, Kartezyen konumları (atomların bir simülasyon sırasında birkaç birim hücreden geçebildiği gerçeğini düzgün bir şekilde dikkate alan), atomik hızlar ve atom kuvvetleri. Son iki giriş skalerdir: yük ve manyetik moment.
İki büyük kitaplık, tüm paketin düzgün çalışmasını sağlar. umd_process.py kütüphanesi, okuma ve yazdırma gibi umd dosyalarıyla ilgilenir. crystallography.py kütüphanesi gerçek atomik yapı ile ilgili tüm bilgileri ele alamlar. crystallography.py kütüphanesinin altında kalan felsefe, kafese vektörel bir alan olarak davranmaktır. Birim hücre parametreleri, yönelimleriyle birlikte temel vektörleri temsil eder. "Uzay" bir dizi skaler özelliğe (belirli hacim, yoğunluk, sıcaklık ve belirli atom sayısı), termodinamik özelliklere (iç enerji, basınç, ısı kapasitesi vb.) ve bir dizi tensoriyal özelliğe (stres ve esneklik) sahiptir. Atomlar bu alanı doldurur. "Kafes" sınıfı, belirli hacim, yoğunluk, doğrudan kafesten karşılıklı kafes elde etme vb. "Atomlar" sınıfı atomları tanımlar. Bir dizi skaler özellik (ad, sembol, kütle, elektron sayısı vb.) ve bir dizi vektörel özellik (Kafes sınıfında açıklanan vektörel temele göre veya evrensel Kartezyen koordinatlarına, hızlarına, kuvvetlerine vb.) göre karakterize edilirler. Bu iki sınıfın yanı sıra, crystallography.py kitaplığı atomik mesafeler veya hücre çarpım gibi çeşitli testler ve hesaplamalar gerçekleştirmek için bir dizi işlev içerir. Öğelerin periyodik tablosu da sözlük olarak dahil edilir.
Umd paketinin çeşitli bileşenleri birkaç çıktı dosyası yazar. Genel bir kural olarak, hepsi ASCII dosyalarıdır, tüm girişleri sekmelerle ayrılır ve mümkün olduğunca açıklayıcı hale getirilir. Örneğin, her zaman fiziksel özelliği ve birimlerini açıkça gösterirler. UMD.dat dosyaları bu kurala tamamen uyar.

<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

Sıvıların ab initio moleküler-dinamik simülasyonlarından kaynaklanan sonuçları analiz etmek için Python tabanlı bir açık kaynak paketi geliştirdik. Paket, silikat ve oksit erimeleri, su bazlı sıvılar ve çeşitli süper kritik sıvılar gibi doğal sistemlerdeki uygulamalar için en uygun olanıdır. Paket, dosya formatlarıyla ve kristalografiyle ilgilenen iki büyük kitaplığı içeren python komut dosyaları topluluğudur. Tüm komut dosyaları komut satırında çalıştırılır. Umd dosyalarına kaydedilen ve Evrensel Moleküler Dinamikler için ayakta duran simülasyonların atomik yörüngelerini ve ilgili termodinamik bilgilerini depolamak için basitleştirilmiş bir format öneriyoruz. UMD paketi, bir dizi yapısal, taşıma ve termodinamik özelliğin hesaplanmasına izin verir. Çift dağılım fonksiyonu ile başlayarak bağ uzunluklarını tanımlar, interatomik bir bağlantı matrisi oluşturur ve sonunda kimyasal belirtimi belirler. Kimyasal türlerin ömrünün belirlenmesi, tam bir istatistiksel analiz çalıştırarak izin verir. Daha sonra özel komut dosyaları atomlar ve kimyasal türler için ortalama kare yer değiştirmelerini hesaplar. Atomik hızların uygulanan kendi kendine korelasyon analizi, difüzyon katsayılarını ve titreşim spektrumunu verir. Gerilimlere uygulanan aynı analiz viskozite verir. Paket, GitHub web sitesi ve ERC IMPACT projesinin kendi özel sayfası üzerinden açık erişim paketi olarak kullanılabilir.

Pyrolite, demir bazlı çekirdeği hariç, toplu silikat Dünya'nın bileşimine en iyi şekilde yaklaşan çok bileşenli bir silikat eriyiğidir (0.5Na2O 2CaO 1.5Al2O3 4FeO 30MgO 24SiO2). Dünya'nın ilk zamanlarında bir dizi büyük ölçekli erime olayı hakimdi20, sonuncusu protolunar disk21'e yoğunlaşmasından sonra tüm gezegeni sarmış olabilir. Pyrolite, bu tür gezegen ölçeğindeki magma okyanuslarının bileşimine en yakın olanı temsil eder. Sonuç olarak, VASP uygulamasında ab initio moleküler-dinamik simülasyonlarından 3.000\u20125.000 K sıcaklık aralığında ve 0\u2012150 GPa basınç aralığında pirit erimesinin fiziksel özelliklerini kapsamlı bir şekilde inceledik. Bu termodinamik koşullar tamamen Dünya'nın en aşırı magma okyanus koşullarını karakterize ediyor. Çalışmamız, eriyiklerin derinlemesine analizi için UMD paketinin başarılı bir şekilde kullanılmasının mükemmel bir örneğidir22. Dağılımı ve ortalama bağ uzunluklarını hesapladık, katyon-oksijen koordinasyonundaki değişiklikleri takip ettik ve sonuçlarımızı çeşitli bileşimlerdeki amorf silikatlar üzerinde önceki deneysel ve hesaplamalı çalışmalarla karşılaştırdık. Derinlemesine analizimiz, standart koordinasyon sayılarının temel bileşenlerine ayrıştırılmış olmasına, eriyikteki egzotik koordinasyon polihedrasının varlığının ana hatlarını belirlemesine ve tüm koordinasyon polihedrası için ömürleri çıkarmasına yardımcı oldu. Ayrıca, simülasyonlarda örneklemenin hem yörüngenin uzunluğu hem de modellenen sistemde bulunan atom sayısı açısından önemini özetledi. İşlem sonrası gelince, UMD analizi bu faktörlerden bağımsızdır, ancak UMD paketi tarafından sağlanan sonuçlar yorumlanırken dikkate alınmalıdır. Burada, erimiş pirolit uygulaması ile ERIYIKLerİN birkaç karakteristik özelliğini çıkarmak için UMD paketinin nasıl kullanılabileceğine dair birkaç örnek gösteriyoruz.
gofrs_umd.py komut dosyasından elde edilen Si-O çifti dağılım işlevi, g(r) işlevinin ilk minimumu olan ilk koordinasyon küresinin yarıçapının T = 3000 K ve P = 4,6 GPa'da yaklaşık 2,5 angstrom olduğunu göstermektedir. G(r)'nin maksimum değeri 1.635 Å'dır - bu, büküm uzunluğuna en yakın yaklaşımdır. Uzun kuyruk sıcaklıktan kaynaklanmaktadır. Bu sınırı Si-O bağ mesafesi olarak kullanan belirtim analizi, birkaç pikosekondaya kadar sürebilen SiO4 birimlerinin eriyiğe hakim olduğunu göstermektedir (Şekil 5). Eriyiğin, Si2O7 gibi dimerlerin ve Si3Ox üniteleri gibi trimerlerin varlığından yansıdığı gibi kısmi polimerizasyon gösteren önemli bir kısmı vardır. Karşılık gelen ömürleri picosecond sırasına göredir. Yüksek sıralı polimerlerin hepsi çok daha kısa ömürlüdür.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61534/61534fig05.jpg"> Şekil 5: Si-O kimyasal türlerinin ömrü. Speciation, 4.6 GPa ve 3000 K'da çok bileşenli bir eriyikte tanımlanır. Etiketler SiO3, SiO4 ve SiO5 monomerlerini ve çeşitli SixOy polimerlerini işaretler. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61534/61534fig05large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
Yukarıdaki –z ve –v bayrakları tarafından tanımlanan dikey ve yatay adımların farklı değerleri MSD'nin çeşitli örneklemelerini verir (Şekil 6). Z ve v'nin büyük değerleri bile farklı atomların eğimlerini ve dolayısıyla difüzyon katsayılarını tanımlamak için yeterlidir. z ve v'nin büyük değerlerine giderken işlem sonrası için zaman kazancı dikkat çekicidir. MSD, simülasyonların kalitesi için çok güçlü bir doğrulama kriteri sunar. MSD'nin difüzyon kısmı yeterince uzun değilse, bu simülasyonun çok kısa olduğunun ve istatistiksel anlamda akışkan durumuna ulaşamadığının bir işaretidir. MSD'nin difüzif kısmı için minimum gereksinim sisteme bağlıdır. Sıvı olarak kabul edilebilmesi için tüm atomların eriyiğin yapısında en az bir kez bölgelerini değiştirmeleri isteilebilir10. Gezegen bilimlerindeki uygulamalarla mükemmel bir örnek, karmaşık silikatların liquidus hattına yakın veya hatta altındaki yüksek basınçlarda erimeleridir11. Si atomları, büyük ağ oluşturan katyonlar, iki düzineden fazla picosecond'dan sonra siteleri değiştirir. Bu eşikten daha kısa simülasyonlar, olası yapılandırma alanını önemli ölçüde eksik örneklemek olacaktır. Bununla birlikte, koordine edici anionlar, yani O atomları, merkezi Si atomlarından daha hızlı hareket ettikçe, Si'nin yavaş hareketinin bir kısmını telafi edebilir. Bu nedenle, tüm sistem gerçekten de yapılandırma alanının yalnızca Si yer değiştirmelerinden varsayılandan daha iyi bir örneklemesi kapsayabilir.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61534/61534fig06.jpg"> Şekil 6: Ortalama kare ötelemeler (MSD). MSD, çok bileşenli silikat eriyiğin birkaç atomik türü için gösterilmiştir. z ve v olmak üzere çeşitli yatay ve dikey adımlarla örnekleme tutarlı sonuçlar verir. Düz daireler: -z 50 –v 50. Açık daireler: -z 250 –v 500. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61534/61534fig06large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
Son olarak, atomik VAC işlevleri eriyiğin titreşim spektrumu verir. Şekil 7 spektrumu yukarıdakiyle aynı basınç ve sıcaklık koşullarında gösterir. Mg, Si ve O atomlarının katkılarını ve toplam değeri temsil ediyoruz. Sıfır frekansta, eriyiğin difüzyon karakterine karşılık gelen spektrumun sınırlı bir değeri vardır. Termodinamik özelliklerin titreşim spektrumundan çıkarılması, bu gaz benzeri difüzör karakteri sıfırdan çıkarmalı, aynı zamanda daha yüksek frekanslarda çürümesini düzgün bir şekilde dikkate alaçana ihtiyaç duyar.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61534/61534fig07.jpg"> Şekil 7: Pirolit erimesinin titreşim spektrumu. Atomik hız-hız kendi kendine korelasyon fonksiyonunun Fourier dönüşümünün gerçek kısmı titreşim spektrumunu verir. Burada spektrum çok bileşenli silikat eriyiği için hesaplanır. Sıvılar sıfır frekansta sıfır gaz benzeri olmayan difüzör karaktere sahiptir. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61534/61534fig07large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</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

Eriyikler ve sıvılar doğal sistemlerde kütle taşımacılığının her yerde bulunan vektörleridir. Bu tür sistemlerin ab initio moleküler-dinamik simülasyonlarını analiz etmek için açık kaynaklı bir paket geliştirdik. Yapısal (yapıştırma, kümelenme, kimyasal belirtim), taşıma (difüzyon, viskozite) ve termodinamik özellikleri (titreşim spektrumu) hesaplıyoruz.

AB Initio Moleküler Dinamik Simülasyonlarından Eriyik ve Sıvıların UMD Paketi ile Analizi

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

İlke moleküler dinamik simülasyonlarının analizi, sıvıların fiziksel ve kimyasal özelliklerini doğru bir şekilde tahmin etmemizi sağlar. Bu yöntem fizik ve kimyadaki herhangi bir atomik analize uygulanabilir. Başlamak için, paketten bir veya daha fazla adanmış Python komut dosyası kullanarak belirli her fiziksel özellik kümesini ayıklayın.Komut satırındaki tüm komut dosyalarını çalıştırın. Hepsi, bir komut dosyasından diğerine mümkün olduğunca tutarlı olan bir dizi bayrak istihdam ederler. İlk ilkeler kodunda gerçekleştirilen MD simülasyonunun çıktısını bir UMD dosyasına dönüştürün, ardından VMD veya VESTA gibi diğer çeşitli paketlerde görselleştirmeyi kolaylaştırmak için UMD dosyalarını xyz dosyalarına aktarın.UMD dosyasını UMD2poscar kullanarak VASP tipi POSCAR dosyalarına ters çevirin. py komut dosyası, önceden tanımlanmış sıklıkta simülasyonların anlık görüntülerini seçme. gofrs_umd çalıştırın.py komut dosyası, A ve B atom türlerinin tüm çiftlerinin çift dağıtım işlevini hesaplamak için.Çıktı, gofrs.dat uzantısıyla ayrılmış bir ASCII dosya sekmesinde yazılır. İlk koordinasyon kürelerinin yarıçapı olarak ortalama interatomik bağ mesafelerini çıkarın. Bunun için, gofrs çizerek çift dağıtım işlevlerinin ilk maksimum konumunu tanımlayın.dat dosyası bir elektronik tablo uygulamasında ve her atom çifti için maxima ve minima'yı arar, ardından elektronik tablo yazılımını kullanarak ilk koordinasyon alanının yarıçapını PDF'nin ilk minimumı olarak tanımlar. Bağlantı matrisini elde etmek ve koordinasyon polihedrasını veya polimerizasyonunu elde etmek için speciation komut dosyasını çalıştırın. speciation_umd çalıştırın.py komut dosyası, koordinasyon polihedrasını tanımlamak için bağlantı grafiğini ilk düzeyde örnekleyen r0 bayrağına sahiptir. speciation_umd çalıştırın. polimerizasyonu elde etmek için bağlantı grafiğini tüm derinlik seviyelerinde örnekleyen r1 bayraklı py komut dosyası.Papülde bulunduğu gibi simülasyonda bulunan tüm kimyasal türlerin her atomik kümesinin ömrünü çizin. dat dosyaları. Kendi kendine difüzyiteyi elde etmek için zamanın bir işlevi olarak atomların ortalama kare yer değiştirmelerini veya MSD'lerini ayıklayın, ardından msd'yi msd_umd serisini kullanarak hesaplayın.komut dosyalarını yazın ve her atom türünün ortalama MSD'sini hesapla. Her atomun ve kimyasal türlerin MSD'sini hesapla. Elektronik tablo tabanlı bir yazılım kullanarak MSD'yi çizin ve MSD'nin eğiminden difüzyon katsayılarını hesapla.vibr_spectrum_umd çalıştırın. py komut dosyası, her atomik tür için atomik hız otomatik sabitlemeyi veya VAC işlevini hesaplamak ve hızlı Fourier dönüşümünü gerçekleştirmek için. Vibr'den titreşim spektrumu çizin.dat dosya elektronik tablo benzeri yazılım kullanarak. Sonlu frekansta spektrumun çeşitli zirvelerindeki sıvının difüzif karakterine karşılık gelen omega eşittir sıfırdaki sonlu değeri tanımlayın. Ortalamaları çalıştır.py, UMD dosyalarından basınç, sıcaklık, yoğunluk ve iç enerji için ortalama değerleri ve yayılmayı ayıklamak için. Son olarak, ortalamaların tamamını çalıştırın. py komut dosyası, ortalamanın hatası da dahil olmak üzere tüm istatistiksel analizi gerçekleştirmek için.Pyrolite, kütle silikat Dünya'nın bileşimine en iyi yakın model çok bileşenli silikat eriyiğidir. UMD paketi erimiş pirolit çeşitli karakteristik özelliklerini ayıklamak için kullanılmıştır. Silikon-oksijen çifti dağılım işlevinin maksimumu, büküm uzunluğuna en iyi yaklaşım olan 1.635 angstrom'da yatmaktadır.Bu sınırı silikon-oksijen bağı mesafesi olarak kullanan belirtim analizi, eriyiğe birkaç pikosekond'a kadar dayanabilen ortosilikat ünitelerinin hakim olduğunu göstermektedir. Eriyiğin, disilicate gibi dimerlerin ve Si3Ox üniteleri gibi trimerlerin varlığından yansıyan kısmi polimerizasyon gösteren önemli bir kısmı vardır. Karşılık gelen ömürleri picosecond sırasına göredir.Yüksek sıralı polimerlerin hepsi çok daha kısa ömürlüdür. Dikey ve yatay adımların farklı değerleri MSD'nin çeşitli örneklemelerini verir. Z ve V'nin büyük değerleri bile farklı atomların eğimlerini ve dolayısıyla difüzyon katsayılarını tanımlamak için yeterlidir.Z ve V'nin büyük değerleri için işlem sonrası süre önemli ölçüde artar.Son olarak, atomik hız otomatik düzeltme işlevleri eriyiğin titreşim spektrumunu verir. Burada magnezyum, silikon ve oksijen atomlarının katkılarının yanı sıra toplam değer gösterilmiştir. Bu protokolü denerken, her zaman yakınsamayı denetleyin.Atomik yörüngelerin, ilgilendiğiniz fenomeni düzgün bir şekilde yakalamak için yeterince uzun olduğundan emin olun. Bu teknik simülasyon sonuçlarının işlenmesini kapsar. Simülasyonlar ve analizleri paralel olarak yapılmalıdır.

Research

JoVE Journal

Chemistry

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

Gram-negatif bakterilerin izolasyonu ve Lipid A kimyasal karakterizasyonu

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

Hidrojen Değişim Kütle Spektrometre Kullanarak Protein Dinamiği Analizi

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!

Lignification Dynamics ile tıklatın kimya tesislerinde görselleştirme: Çift etiketleme BLISS olduğunu!

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

Yakıtların yanma kimya: bir atmosferik yüksek sıcaklık akışı reaktör ile elde edilen nicel Türleşme veri birleştiğinde ışın moleküler Kütle Spektrometre

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

Tarama tünelleme mikroskobu ve spektroskopi ile Interfacial su dinamiği ve yapısını sondalama

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

Tek nano tanecikleri analiz etmek için kapalı tip kablosuz Nanopore elektrot

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

Türdeş olmayan su/Metal Catalyst arabirimi yoğunluğu fonksiyonel teorisi ve güç alanı moleküler dinamik kullanarak multiscale örnekleme

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

Bir Oda Sıcaklığı iyonik Sıvı ile solvated Ampirik-Potansiyel Moleküler Dinamiksimülasyon bir N719-Kromofor / Titania Arayüzü Titreşimsel Spectra

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

Ab initio Termochemistry'den Moleküler Kümelerin Atmosferik Konsantrasyonlarının Hesaplanması

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

3D Baskı lı İnteraktif Moleküler Model Montajı

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