Interface force 필드

Interface force field

화학 및 분자 모델링의 맥락에서, 인터페이스 힘장(IFF)은 원자, 분자 및 조립체의 고전적인 분자 시뮬레이션을 위한 힘장으로, 주기율표 [1]전체에 걸친 화합물을 포함한다.금속, 산화물 및 유기 화합물에 대해 일관된 해밀턴식 에너지 함수를 사용하여 생체 분자 및 재료 시뮬레이션 플랫폼을 단일 플랫폼으로 연결합니다.신뢰성은 종종 밀도 함수 이론 계산보다 높고 계산 비용은 백만 배 이상 낮습니다.IFF에는 모든 매개변수에 대한 물리-화학적 해석과 포함된 화합물의 다양한 분할면과 표면 화학을 포함하는 표면 모델 데이터베이스가 포함된다.인터페이스 힘 장은 주로 유기 화합물의 시뮬레이션을 위한 힘장과 호환되며 공통 분자 역학 및 몬테 카를로 [2][3][4][5]코드와 함께 사용될 수 있습니다.포함된 화학 원소 및 화합물의 구조와 에너지는 엄격하게 검증되며 특성 예측은 이전 모델에 비해 최대 100배 더 정확하다.

기원.

원자간 전위는 1960년대 후반부터 CHARMM 프로그램에 사용되는 아미노산에 대해 개발되었다.적용된 화학 공간의 비율은 주기율표의 크기를 고려할 때 작았고, 무기 화합물에 대한 원자 간 전위는 대부분 사용할 [6]수 없었다.다양한 에너지 기능, 파라미터 해석 및 검증 부족으로 예측 불가능한 오류가 있는 격리된 화합물에 대한 모델링이 제한되었습니다.특히, 원자 이동성을 허용할 때 형식 전하, 고정 원자 및 기타 근사치에 대한 가정은 종종 붕괴 구조와 무작위 에너지 차이를 초래한다.무기-유기 계면의 일관된 시뮬레이션을 위한 개념은 [7]2003년에 도입되었다.주요 장애물은 분자 모델, 특히 무기 화합물에서의 원자 전하의 불충분한 정의였다.IFF는 화학 결합을 금속, 산화물, 광물, 유기 분자를 포함한 분자 모델에 정확하게 변환하는 원자 전하를 할당하는 방법을 이용한다.모델은 전자 변형 밀도, 쌍극자 모멘트에 대한 실험 데이터뿐만 아니라 원자화 에너지, 이온화 에너지, 배위 수 및 주기율표의 다른 화학적으로 유사한 화합물에 대한 추세를 고려하여 화합물 내부의 다중극 모멘트를 재생한다(Extended Born).모델)[8] 이 방법은 화학 결합을 나타내는 실험 데이터와 이론의 조합을 보장하며 양자 [9][10]방법을 사용하는 것에 비해 최대 10배 더 신뢰성과 재현성이 높은 원자 전하를 산출한다.이 접근법은 내부 극성이 매우 다양한 주기율표에서 일관된 전체 원자 시뮬레이션을 수행하기 위해 필수적이다.IFF는 또한 흑연물 및 방향족 [11]화합물에 δ전자 등의 전자구조의 특정 특성을 포함할 수 있도록 한다.또 다른 특징은 고전적인 해밀턴을 검증하기 위한 구조와 에너지의 체계적인 재현이다.구조 예측의 품질은 분자 시뮬레이션에서 흔히 볼 수 있는 X선 데이터의 격자 매개변수와 밀도의 검증을 통해 평가된다.또한 IFF는 신뢰할 수 있는 잠재적 에너지 표면을 보장하기 위해 실험 측정에서 얻은 표면 및 균열 에너지를 사용합니다.그 후, 수화 에너지, 흡착 에너지, 열 및 기계적 특성은 추가 수정 없이 측정과 정량적으로 일치하여 계산할 수 있다.매개 변수는 또한 물리적-화학적 해석을 가지고 있으며 화학적 유추는 화학적으로 유사하지만 알려지지 않은 화합물에 대한 매개 변수를 정확하게 도출하기 위해 효과적으로 사용될 수 있다.격자 매개변수 및 기계적 특성(에너지 2차 도함수)에 대한 무작위 힘장 적합에 기초한 대안 접근법은 해석성이 부족하며 표면 및 계면 에너지에서 500% 이상의 오류를 발생시켜 모델의 [1]효용을 제한할 수 있다.

현재 적용 범위

IFF는 금속, 산화물, 2D 재료, 시멘트 광물 및 유기 [1]화합물을 포함합니다.일반적인 정확도는 개별 화합물에 대한 문서화된 변화를 포함하여 격자 매개변수의 경우 ~0.5%, 표면 에너지의 경우 ~5%, 탄성 모듈리의 경우 ~10%이다.벌크 머티리얼 및 인터페이스용 All-ATOM 모델 및 시뮬레이션 입력은 Materials [2]Studio, VMD, LAMPS, CHARMM-GUI 및 기타 [12]편집 프로그램을 사용하여 구축할 수 있습니다.시뮬레이션 및 분석 등 많은 분자 역학 프로그램을 사용하여 수행될 수 있다 96 레논-Jon-jon-jon-jon-jon-jon-스탠드아론 또는 이러한 강제 필드에 플러그인으로 사용하여 기존 파라미터를 활용할 수 있습니다.

적용들

원자, 분자, 나노 구조의 조립체를 작은 마이크로 스케일까지 분석하려면 정확한 원자 간 전위가 필수적이다.IFF는 나노물질과 생물학적 계면의 분자역학 시뮬레이션에 사용된다.워크스테이션에서는 최대 10,000개의 원자를 분석할 수 있으며 슈퍼컴퓨팅을 사용하여 최대 10억 개의 원자를 분석할 수 있습니다.예를 들어 금속과 [20][21]합금의 특성, 광물-유기 계면,[22] 단백질과 DNA-나노물질 상호작용,[23] 흙과 건축자재, 탄소 나노구조, 배터리 및 고분자 복합재료 [24][25]등이 있습니다.시뮬레이션은 원자적으로 분해된 프로세스를 시각화하고 원자의 이미징과 추적의 한계로 인해 실험에서 찾기 어려운 거시적 특성에 대한 관계를 정량화합니다.따라서 모델링은 X선 회절, 전자현미경, 단층촬영(투과전자현미경, 원자력현미경 등)에 의한 실험연구와 여러 종류의 분광학, 열량측정 및 전기화학적 측정을 보완한다.3D 원자 구조와 시간의 경과에 따른 동적 변화에 대한 지식은 센서의 기능, 질병의 분자 신호 및 물질 특성을 이해하는 데 중요합니다.IFF를 사용한 연산은 합성 및 처리 지침을 위해 다수의 가상 재료를 선별하는 데도 사용할 수 있다.

지표면 모델 데이터베이스

IFF의 데이터베이스는 금속과 광물의 결정구조와 결정학적 표면의 시뮬레이션 가능한 모델을 제공한다.종종 가변 표면 화학은 실리카, 히드록시아파타이트 및 시멘트 [26]광물의 pH 반응 표면에서 중요하다.데이터베이스의 모델 옵션에는 사용자가 선택하고 사용자 정의할 수 있는 광범위한 실험 데이터가 포함되어 있습니다.예를 들어 실리카 모델은 차열중력측정, 분광법, 제타전위, 표면적정 및 pK값의 [27]데이터에 따라 실라놀기 및 실옥사이드기의 유연한 면적밀도를 커버한다.마찬가지로 뼈와 치아에 있는 히드록시아파타이트 광물은 pH 값의 함수로 인산수소 함량과 인산수소 함량이 다른 표면을 나타낸다.표면 화학은 종종 전해질 계면, 분자 인식 및 표면 반응의 역학을 예측하는 데 원자 간 전위만큼 중요합니다.

화학 반응에 대한 응용

IFF는 주로 화학 반응에 제한적으로 적용되는 고전적 잠재력이다.그러나 반응의 정량적 시뮬레이션은 화학 결합과 전자 구조의 해석 가능한 표현으로 인해 자연스러운 확장이다.C-C 스틸 커플링에서의 Pd 나노 입자 촉매의 상대적 활성, 수화 반응 및 아조벤젠의 cis-trans 이성화 반응 시뮬레이션이 [28]보고되었다.반응을 시뮬레이션하는 일반적인 경로는 QM/[29]MM 시뮬레이션입니다.반응을 구현하기 위한 다른 경로는 시뮬레이션 중 결합 연결성의 사용자 정의 변경과 스트레스 변형 시뮬레이션에서 결합 해제를 가능하게 하는 조화 결합 전위 대신 모스 전위 사용이다.

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