azTotMD：非恒定力场分子动力学模拟软件

软件X 10（2019）100233原始软件出版物azTotMD：非恒定力场分子动力学软件安东拉斯科瓦洛夫俄罗斯科学院乌拉尔分院高温电化学研究所，620137，圣Akademicheskaya，20，天秤座，United Statesar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2018年收到修订版，2019年3月26日接受，2019年保留字：分子动力学非恒定力场电子转移共价键重组代码元数据a b st ra ctazTotMD是经典和非恒定力场分子动力学模拟软件。非恒定力场分子动力学是由运行过程中粒子性质和相互作用规律的切换组成的.这种方法允许存储不同的原子氧化态的不同电位。目前azTotMD支持方便的短程和库仑对势，键和价角相互作用，azTotMD可用于模拟极化子跳跃电导率、氧化还原过程动力学及相关现象。©2019作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。现行法典第11此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2018_112法律代码许可证MIT使用的代码版本控制系统无软件代码语言采用c/c++编译要求，操作环境依赖性标准C库如果可用，链接到开发人员文档/手册问题支持电子邮件other@e1.ru软件元数据当前软件版本1.1此版本可执行文件的永久链接http://ncffmd.ru/download/azTotMD.zip法律软件许可证MIT计算平台/操作系统Microsoft Windows安装要求依赖项无如果可用，用户手册的链接-如果正式发布，请在参考列表中包括对该出版物的参考http://ncffmd.ru/download/azTotMD.zip支持电子邮件other@e1.ru以解决问题1. 动机和意义经典分子动力学（MD）模拟是研究多体系统微观行为的一种广泛应用的方法该方法包括牛顿运动方程的数值积分通常，模拟系统的势能这些相互作用定律（力场）以原子间势的形式被指定为在模拟时间内不改变的在这种情况下，作为电子转移或化学反应的现象具有量子电子邮件地址：other@e1.ru。https://doi.org/10.1016/j.softx.2019.04.005机械性质，并且不能以朴素的经典方法来考虑。为了精确计算量子效应，人们创造了特殊的方法。他们结合了一个经典的MD原子核与量子力学计算的电子subsystem。最早的这种方法之一是由Car和Parinello [1]开发的。后来，出现了其他类似的方法：量子跃迁分子动力学[2]和非绝热分子动力学[3]。量子MD的简要描述可以在[4]中找到。这组方法的一般缺点是计算成本高，因为即使是多电子系统的单个计算也需要大量的时间。在MD模拟中，有必要重复这些计算数千次以获得足够长的轨迹因此，这种组合方法通常用于模拟小的2352-7110/©2019作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx2A.A. Raskovalov/SoftwareX 10（2019）100233ikikJKJK系统，并导致该方法的统计意义的损失。与此同时，人们试图通过原子间相互作用势的复杂化来用经典分子动力学描述化学现象。Tersoff [5]提出了这样一个复杂的势函数来描述硅的各种结构。Tersoff势具有对势的形式，但键强度项取决于局部环境。因此，势实际上是三体的，并结合了键序方法。后来，Brener [6]改进了Tersoff势，增加了两项用于烃类模拟。1999年，Pettifor [7]发表了对Tersoff-Brenner势的批评，2002年，Brener [8]通过应用改进的解析函数修改了他的势，能更好地描述键能和键长。这一系列的方法带来了键级形式主义分子动力学模拟。这些方法原则上可以描述伴随着原子杂化状态变化的化学反应。电荷平衡（QEq）方法考虑了分子体系非经典行为的另一个方面，即原子间的电荷再分配。1991年，Rappe和Goddard [9]提出将QEq引入分子动力学模拟.这种方法的实质是引入了一个依赖于原子电荷的势能项。最小化这种对势能的贡献2001年，van Duin与合作者开发了ReaxFF，一种用于反应系统的力场[10]。ReaxFF结合了键级形式主义，电荷重新分配的思想（QEq的精神）和方便的库仑和范德华势。ReaxFF被构造用于模拟化学键的形成和解离ReaxFF方法的全面综述见[11]。所列出的方法在许多软件包中实现，例如，DL_POLY程序[12]可以与Tersoff势一起操作，LAMMPS支持ReaxFF [13]等。所有上述分子动力学的变体都将化学反应描述为原子坐标的连续函数。最近，Dapp和Müser [14]提出了电荷转移的时间依赖性非平衡力场与上述方法不同的是，该力场可以通过将离散的氧化态分配给原子来考虑历史效应该方法基于电荷分离平衡法[15]。分裂平衡法允许再现正确的介电响应函数[16]。他们的新方法包括对电子转移（ET）的相关键进行采样。如果沿着这个键的ET导致系统势能降低（或守恒），发生电子转移，相应原子的氧化程度发生变化。因此，该方法允许系统从一个能量表面跳到另一个能量表面，通过ET降低一个能量表面。虽然Dapp和Müser讨论了原子半径和相应的对势必须受到ET的影响，但在他们的概念验证研究中，对势的变化被忽略了。在我们以前的工作中[17]，我们提出了一种方法，非常符合Dapp和Müser工作的精神。这种方法包括在运行时由于这些原子之间的电子转移而切换原子类型。这种开关包括原子性质的改变和原子间相互作用势的变化。这种方法不同于经典的分子动力学，在经典的分子动力学中，每个粒子都被分配到一个定义的类型，所有的相互作用定律（力场）是恒定的。由于这些原因，该方法可以被称为“非恒定力场分子动力学”（NCFFMD）。NCFFMD允许不使所有可能情况下的电势复杂化，而是存储不同氧化态的不同电势。原子的NCFFMD的这一部分可以被认为是一个极限情况Dapp和Musser的方法。此外，这里讨论的方法（和软件）允许在模拟过程中形成新的和打破旧的分子内键。在我们的计算中，我们使用了方便的分子间短程和库仑对势以及分子内对势和价角势，但是，原则上，可以将该方案与本文讨论的任何方法结合起来。非恒定力场MD可以考虑基于电子转移的过程。相关的任务包括氧化还原反应动力学、极化子跳跃电导率、渗流行为等。非恒定力场的另一个概念是在运行期间断裂并形成新的分子内键的能力。它可以用于模拟由几种玻璃形成氧化物组成的玻璃，通过Grotthuss机制的二聚和质子导电性[18]。NCFFMD是在这里介绍的软件“azTotMD”中实现的Microsoft Windows的可执行文件稍后，计划在任何所需的平台上共享编译源。详细的用户手册可以在网站上找到[19]。azTotMD应用的一些实例可以在文献[20，21]中找到，其分别描述了液体介质中的氧化还原反应和经由ZnS晶格的位点之间的跳跃的导电性。对混合玻璃进行了模拟在[22]中，共价键有可能断裂和形成。2. 软件描述azTotMD是用C语言编写的可执行文件，命令行界面。 它从文本 文 件 中 读 取 所 需 的 输 入 数 据 。 这 些 文 件 包 含 一 般 指 令（control.txt）、原子的初始坐标（atoms.xyz，*.XYZ格式的文件）、它们的属性和力场（field.txt）。azTotMD将模拟结果输出到文本文件中。模拟基于使用Velocity Verlet算法的经典MD[23]。模拟可以在微正则（NVE）或正则（NVT）系综中进行。对于温度控制，在NVT模拟的情况下，静电相互作用用Ewald求和[25]解 释 。短 程 相 互 作 用 由 Lennard-Jones 、 Buckingham 和 Born-Mayer-Huggins函数形式的对势提供。此外，azTotMD支持Stafford等人[26]提出的液态卤化物的对势。模拟是在正交周期边界条件下进行的。 单元列表算法[25]用于加速计算 对于大型系统。该软件支持具有恒定梯度的外部电场。为了激活模拟中的电子转移，应在control.txt文件中设置ejump指令的值。该参数决定了在积分步骤之间调用电子转移程序的次数（负值表示每第N步调用程序）。 为了发生电子转移（ET），系统必须包含电子供体和电子受体。颗粒成为供体或受体的可能性由field.txt文件中的相应标志确定。电子转移包括电子给体和受体相应地转化为它们的氧化和还原形式。 在red-ox部分的field.txt文件中还规定了每种颗粒的氧化/还原形式列表。在azTotMD中，有三种ET模式：能量守恒（Frank-Condon在所有模式下，由ET从第i个粒子到第j个粒子引起的系统能量变化Uij=∑[VII−VI+VII−VI]k=i， jA.A. Raskovalov/SoftwareX 10（2019）1002333DT我J形成新的键（分子内对势）Fig. 1. azTotMD软件应用的一些示例：（a）在不同电压下，正（n+）和负（n-）方向上通过Oyz边缘跳跃的电子数量作为时间的函数;（b）电流（e/ps）作为电压降的函数;（c）在CuCl-CuCl 2系统中计算的电流密度作为不同跳跃距离参数值的组成的函数;（d）电活性离子数 量 作为时 间 的 函数。1∑（qII−qI+qII−qI）+‘‘ 在本节中，可以指出QKCεk= i， jEx我我日伊克J JRJK一些键在到达一个选定的原子间距离价角势的参数定义在+（xi−xj）+Eown+Eown，（1）field.txt文件的“angles”部分。物种的能力其中Vik是第i个粒子第k个粒子由相应的对势q给出是粒子的电荷，r是粒子之间的距离，C是库仑定律中的常数在这个表达式中，第一项对应于范德华能量的变化，第二项对应于库仑能量的变化，第三项对应于由电场引起的能量的变化，最后两项对应于由电场引起的能量的变化。- 粒子自身的能量。对于最后这些项，用户必须在field.txt文件中指定每种粒子类型的能量。根据（1）的能量差计算是针对具有小于由用户在control. txt文件中指定的值的分离距离的每个供体-受体对进行的如果所选粒子对的能量差满足所选条件，则软件在这些粒子之间执行ET（例程见附录）。此外，软件还保存了一些信息，如粒子总数，指定供体-受体对之间的粒子数azTotMD写入其他数据，通常用于MD模拟：径向分布函数（rdf.dat文件），均方位移（msd.dat文件）和统计信息（stat.dat文件）。此外， azTotMD支持分 子内对势和价 角势。 软件分别从bonds.txt和angles.txt文件中读取这些电位的列表 分子内对势的参数必须在第在field.txt文件的“linkage "节中。这种结合的断裂伴随着相应的价角势的删除。可以在field.txt文件中指定在键形成后3. 说明性实例azTotMD允许在正方向和负方向上接收通过盒的Oyz边缘的电子跳跃数（jumps.dat文件）。这些参数的时间导数与由电子（极化子）跳跃提供的电子电流（I）有关：I=ed（n+−n−），（ 2）其中e是电子电子沿x轴正、负方向跃迁Oyz边的几率。通常，通过盒边缘的电子数是时间的线性函数。在没有外部电场的情况下，这些线的斜率对于正方向和负方向是相同的，在流动的场不对称性下，因此出现电流，图。凌晨1通过改变磁场梯度值和测量电流，可以得到系统的伏安特性。凌晨2该依赖性的斜率与电导率（σ）成比例L dIσ=SdE，（ 3）一4A.A. Raskovalov/SoftwareX 10（2019）100233图二、用 azTotMD软件获得的硼硅酸盐玻璃的结构。球和棒表示：Si -灰色球; B -深绿色球; O -红色球;灰色棒是Si-O键;绿色棒是B-O键。硼多面体是绿色的。(For对本图图例中所指颜色的解释，读者可参考本文的网络版其中l是x方向上的盒尺寸，S是Oyz盒边缘的面积，E是沿x轴的电压降因此，可以通过MD模拟来研究电子导电性。事实上，该方法允许观察受热运动影响的节点的渗流效应由于这种方法不涉及晶格，它可以考虑非晶或液体系统以及结晶的渗流行为。具有电子传导性的液体系统的一个例子是熔融CuCl和CuCl2的混合物。该系统具有离子导电性和由Cu+和Cu2+离子之间的电子跳跃提供的电子导电性[30，31]。直观上看，类似体系的电导率最大值一定出现在电子给体和受体（例如Cu+和Cu2+）浓度相等的点，但不同的参数如摩尔体积或迁移率可以改变这一位置。 图图1c表明电导率最大值的位置不同于0.5的点，并且取决于电子跳跃的最大可能距离。此外，考虑MD模拟过程中的电子转移可用于研究液体介质中的氧化还原反应，例如，在具有过渡金属离子的卤化物熔体中[32，33]。az-TotMD可以接收作为时间函数的每种类型颗粒的数量，因此给出关于氧化还原过程的动力学的信息浓度的时间依赖性示例见图10。 1天。利用该软件可以研究反应的能量效应对反应动力学的影响这个问题最令人印象深刻的“反转区域”由反应速率随着反应吉布斯自由能的绝对值的增加而这种现象是基于电子转移的马库斯理论预测的[35]。azTotMD的另一个应用是模拟伴随着断裂和/或形成共价键的过程。这种现象的一个例子是氧化物玻璃的形成。 在这些材料中，氧原子以两种形式存在：桥氧（BO）和非桥氧（NBO）。BO通过共价键与两个原子键合。NBO仅与一个原子键合。氧的这两种状态其他的，但尽管这一事实，所有的氧原子被指定为相同的物种在经典的MD模拟[36这是由于事实上，这种模拟的配置是随机生成的，没有人事先知道具体原子的环境。另一方面，经典分子动力学不能将一种物质转化为另一种物质。使用NCFFMD方法，可以断裂或形成键并转化构成这些键的物质。这种模拟的详细描述可以在[ 22 ]中找到，图。图2展示了使用该软件获得的玻璃结构的示例。4. 影响早期我们使用azTotMD模拟氧化还原反应，电子转移和混合硼硅酸盐玻璃的形成。在我们以前的工作中[20] azTotMD被用于模拟一个液体介质中的氧化还原平衡研究了抽象阳离子B2+和A3+被X−阴离子此外，所研究的系统包含C+X−溶剂。提供了离子间的相互作用用Lennard-Jones和Coulomb势来表示。结果表明，电活性离子的浓度随时间变化，并达到一定的平衡值。电活性离子被惰性溶剂稀释和溶剂离子半径的增加导致反应产物的平衡浓度降低。晶格上随机分布的A~+和A_2 ~+离子之间的电子跳跃提供了电子导电性 ZnS几何形状 研究了 通过azTotMD 在[21]中。电子跳跃的最大可能距离对电导率的影响进行了研究。 对于小距离，电导率在等摩尔浓度的电子供体（A+）和受体（A2+）附近通过最大值。在最大可能距离的高值处，随着A+浓度的增加。在[22]中提供了使用azTotMD对硼硅酸盐玻璃的模拟力场由方便的短程势和库仑势、共价键合原子的分子内（键合）相互作用和角上含氧的三原子的价角势组成。在模拟中，氧- gen原子被分为具有不同有效原子电荷的桥氧和非桥氧物种。通过共价键的解离提供了桥氧原子和非桥氧原子之间的转化键自动断开（形成），然后原子间距离高于（低于）最大键长。这个过程允许玻璃结构随时间变化。结果表明，建议的力场描述硼硅酸盐玻璃的结构合理。5. 结论azTotMD扩展了一系列可以通过结合基于定位中心之间的电子转移的效应来用分子动力学模拟研究这些性质包括跳跃电导、离子-电子输运、均质介质中的渗流依赖性、氧化还原过程动力学等。该软件可用于电化学、腐蚀、电极过程、生物系统和具有混合离子-电子导电性的系统领域的研究人员。共价键形成和断裂的可能性也在软件中实现。它可用于玻璃的模拟、氢键复合、离解效应等。确认该研究得到了俄罗斯科学基金会的支持（项目编号：18-73-10205）。利益冲突作者声明不存在利益冲突A.A. Raskovalov/SoftwareX 10（2019）1002335阑尾 用于实现电子转移的“ejump”例程列表6A.A. Raskovalov/SoftwareX 10（2019）100233附录B. 补充数据与本文相关的补充材料可以在https://doi.org/10.1016/j.softx.2019.04.005上找到。A.A. Raskovalov/SoftwareX 10（2019）1002337引用[1] Car R，Parrinello M.分子动力学与密度泛函理论的统一方法物理学评论快报1985;55：2471-4。http://dx.doi.org/10的网站。1103/PhysRevLett.55.2471。[2] 方J-Y，Hammes-Schiffer Sh.溶液中的质子耦合电子转移反应：模型系统的量 子 跃 迁 分 子 动 力 学 。 化 学 物 理 杂 志 1997;106 ： 8442-54.http://dx.doi.org/10.1063/1.473903.[3]Duncan WR，Prezhdo OV.茜素与水合钛离子电子转移的非绝热分子动力学研究。JPhysChemB2005;109：17998-8002.http://dx.doi.org/10.1021/jp052570x网站。[4]KühneThomasD.从头算分子动力学。2013，http://arxiv.org/abs/1201.5945v2，[2013年3月26日发布]。[5]Tersoff J. 硅 结 构 特 性 的 新 经 验 模 型 。 物 理 评 论 快 报 1986;56 ： 632-5.http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.56.632网站。[6]布伦纳DW。碳氢化合物在模拟金刚石薄膜化学气相沉积中的经验潜力。物理学评论B凝聚物质1990;42：9458-71。[7]Pettifor DG，Oleinik II. 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