Pysimm软件更新：实现多功能蒙特卡罗分子模拟和分子动力学模拟

*SoftwareX 7（2018）70软件更新更新0.2到Alexander G.放大图片作者：Michael E. Coray M. Colinaa，b，*a佛罗里达大学化学系，Gainesville FL 32611，美国b佛罗里达大学材料科学与工程与核工程系，Gainesville，FL 32611，美国ar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2018年2月19日2018年2月23日收到修订版，2018年保留字：无定形聚合物分子动力学模拟蒙特卡罗模拟a b st ra ct介绍了对Pysimm Python分子模拟API的更新。更新的一个主要部分是实现与CASSANDO的新接口-一个现代的，多功能的蒙特卡罗分子模拟程序。LAMMPS通信模块中的几个重要改进，允许更好和更通用的模拟设置报告以及。实现迭代代码元数据当前代码版本v0.2用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-16-00070法律代码许可证MIT使用git的代码版本控制系统使用python2.7的软件代码语言、工具和服务编译要求、操作环境依赖性Linux如果可用，链接到开发人员文档/手册https://pysimm.org/documentation/问题支持电子邮件support@pysimm.org1. 动机和意义PysimmAPI [1]是最近开发的，用于促进计算材料化学领域的研究，特别是无定形聚合物系统的pysimm开发的一个总体目标是以清晰和统一的方式提供对不同分子模拟工具的更容易的访问本文介绍了一个更新的pysimm软件，扩展功能，执行蒙特卡罗（MC）分子模拟。此外，具有分子动力学（MD）模拟的功能，pysimm现在可以结合这些方法，并执行各种混合MC/MD模拟。例如，混合MC/MD模拟可以实现为MC和MD的迭代循环，其中两种方法使用共享的分子结构。众所周知的MC模拟软件包，如Cassandra [2]、RASPA [3]或GPU优化的蒙特卡罗（GOMC）[4]，据我们所知，不提供特定的工具来与MD软件包通信或执行模拟。原文DOI：http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2016.12.002。通讯作者：佛罗里达大学化学系，Gainesville，FL 32611，USA电子邮件地址：colina@chem.ufl.edu（C.M. Colina）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2018.02.0062352-7110MD模拟直接。MD专用软件包，如Amber（和Ambertools）[5]，GROMACS [6]和DL_POLY [7]通常能够在MD模拟期间执行特定的MC类（随机或非物理）移动。LAMMPS软件包[ 8 ]的开发人员最近增加了执行大正则蒙特卡罗（GCMC）模拟的可能性。这项工作中描述的更新实现了一个接口，允许pysimm与2015年发布的Cassandra分子模拟软件进行通信，用于Maginn小组开发的MC模拟[2]。它可以在各种集成（NVT，NPT，µVT）中执行模拟，并使用先进的计算效率MC技术。该软件的最新版本（1.2）于2017年11月发布，pysimm的Cassandra模块（PyS imm该模块包含在最新API版本的分发中，可以从GitHub克隆或从项目网站下载（请参阅代码元数据）。2. pysimm.Cassandra模PS-CS模块的接口由3个主要类表示（图1）。①的人。这个模块的主要类叫做Cassandra，可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx·−∼A.G. Demidov等人/ SoftwareX 7（2018）70-7371它组织所有的模拟，并与用户和Cassandra二进制文件进行交互。该模块假定Cassandra二进制文件（串行或并行版本）的绝对路径是通过环境变量CASSANDO_EXEC设置的。与pysimm.lmps模块类似，Cassandra类有一个任务队列，它是不同MC模拟对象的列表。模拟对象通过Cassandra类的add_simulation模板方法添加到队列中例如，如果需要GCMC模拟，则调用Cassandra.add_gcmc方法。目前，该模块支持正则（NVT）、巨正则（µVT）和等压等温（NPT）分子系综的模拟模拟对象将通过使用用户提供的或默认的模拟设置创建模拟指令文件（INP）来设置正确的Cassandra运行此外，还创建了Cassandra为每个用户定义的分子种类所需的分子特定文件（MCF和DAT）解析和编写分子特定文件的功能被委托给cassan-dra.McSystem类。这个类表示在MC模拟过程中将被插入/修改的种类集（每个种类都是一个单独的pysimm.System对象）。请注意，在当前实施中，但是，如果这些片段文件可用，则可以将其提供给pysimm以执行非刚性MC模拟。PS-CS模块使用与CAS-SAN输入文件中相同的语法。例如，CASSANTR 输 入 文 件 中 的 模 拟 温 度 前 面 有 标 记 “#TemperatureInfo”。相应地，模拟温度由Cassandra.GCMC对象中模拟设置字典的“Temperature_Info”键设置3. LAMMPS模块对pysimm-LAMMPS接口作了一些改进一个新的类被添加到pysimm-LAMMPS这在开发混合MC/MD应用时特别有用，在该混合MC/MD应用期间，分别对框架和气体颗粒施加单独的固定这是LAMMPS中NPT模拟的要求，包括刚性和非刚性分子。引入了另一个类来定义LAMMPS模拟的初始化设置。作为一个例子，力场函数形式可以在这个类中明确定义或者，可以提供支持的力场的名称，它隐式地定义了LAMMPS模块本身中定义的一组函数形式这是为了最终从系统模块中删除LAMMPS特定语法，并使用力场名称作为模块之间的如果未定义显式样式，则将根据系统的力场属性推断这些样式构造Simulation对象时传递的对象4. MC/MD组合应用PS-CS模块的功能该应用程序迭代运行两个连续的模拟：第一，GCMC模拟Cassandra;和第二，NPT分子动力学模拟LAMMPS。所有模拟和数据传输的设置都由pysimm执行。 首先，GCMC模拟将接收矩阵分子系统和要插入的分子列表。在GCMC模拟完成后，MD模拟将从GCMC的最终配置开始运行。MD完成后，矩阵的更新配置在下一次迭代时被传递到GCMC。此应用程序是一个Python脚本，它还为MC和MD模拟提供所有必要的设置作为初始分子系统的描述。MC/MD应用程序包含在新的pysimm版本的发行版中。该应用程序可用于模拟柔性基质内的气体吸附气体吸附到柔性基质中是当前和未来研究的关键兴趣[9]。最近，柔性基质的吸附模拟已被证明是早期研究的重要补充，因为它们可以显示基质尺寸（溶胀）的增加或孔径分布的演变，这导致吸附物吸收和基质选择性特性的变化[10，11]。尽管人们对灵活的框架感兴趣，但允许执行组合MC/MD模拟的免费分子模拟软件包充其量是稀缺5. 说明性实例：柔性框架中的溶胀作为MC/MD应用的一个例子，考虑甲烷（CH4）吸附到金属有机骨架（IRMOF- 14）基质。对于CH4分子，使用TraPPE UA力场模型[12]。最初的MOF结构（XYZ文件）是从BTW-FF [13]项目的存储库中获得的。 结构中的原子被自动分配Dreiding力场的参数[14]，如分布库的示例10所示。MC/MD总共进行了五次迭代步骤，每次迭代都有3 × 105步的µVT Monte Carlo模拟，然后是0.1 ns的NPT分子动力学模拟。模拟温度设定为300K，压力为30 MPa，这相当于使用理想气体近似的22.5 kJ/mol的化学势。此外，为了与混合MC/MD模拟进行比较，CH4吸附也仅使用GCMC进行 图图2示出了进行MC/MD（右）和仅进行MC（左）之前和之后的模拟分子系统的侧视正投影。从这些图中可以观察到，在混合MC/MD模拟之后，MOF框架的几何形状发生了变化。尽管MC/MD模拟和MC模拟后MOF的几何结构差异可能看起来很小，但MC/MD模拟显示出明显更高的吸附CH 4分子量，如图所示。3.第三章。在该图中，显示了MC（蓝色三角形）和MC/MD（红色圆圈）模拟中的吸附物分子数量在每个模拟的最后50%内插入分子的平均数显示为粗水平线。平均而言，MC/MD模拟结果表明，增加吸附甲烷分子（10%）相比，MC模拟。6. 结论PysimmAPI的更新提供了新的功能，包括与CASSANXP软件包进行Monte Carlo分子模拟的通信，以及增加LAMMPS功能的覆盖范围。这一更新将有助于研究各种纳米多孔材料中的一般来说，pysimm可用于任何计算研究，这些研究将受益于MC和MD分子模拟之间的快速和自动化交互。此更新将有助于教育目的：作为MonteCarlo和分子动力学模拟的共同原则和差异的说明。通过一个应用程序说明了新的pysimm模块的功能公元72年Demidov等人/SoftwareX 7（2018）70图1.一、 Pysimm.Cassandra模块架构的一般方案。箭头显示了模块的不同类之间以及模块与CASSANTR可执行文件之间的数据传输图二. 模拟CH4在IRMOF-14单胞中的吸附过程：纯MC模拟用CH4分子填充初始刚性MOF结构; MC/MD模拟填充初始结构并松弛MOF框架。图三. 通过Monte Carlo（蓝色菱形）和Monte Carlo/Molecular Dynamics组合（红色圆圈）模拟的插入IRMOF-14晶胞的CH4分子数量。进行甲烷吸附到IRMOF-14中的混合MC/MD模拟。结果表明，当允许柔性的聚合物时，MOF基质的尺寸以及气体吸收增加。框架. 通过与CASSANSYS的接口实现，证明了pysimm软件在非常通用的分子模拟水平上操作时易于扩展。致谢A.G. Demidov等人/ SoftwareX 7（2018）70-7373[6]Abraham MJ，Murtola T，Schulz R，Pall S，Smith JC，Hess B，LindahlE.GROMACS：通过多级并行进行高性能分子模拟，作者要感谢佛罗里达大学的Ping Lin博士、Grit Kup- gan、Dylan Anstine和普渡大学的Strachan研究小组进行了有益的讨论，并感谢国家科学基金会的资助（授予ACI-1613155）。引用[1] Mr. Meyer，Colina CM.pysimm：一个用于模拟分子系统的Python软件包SoftwareX 2017;6：7-12. http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2016的网站。一万二[2] Shah JK，Maginn EJ.一种通用而有效的蒙特卡罗方法，用于对支链和环状分子的 分 子 内 自 由 度 进 行 采 样 。 J Chem Phys 2011;135 （ 134121 ） ： 1-11.http://dx.doi.org/10.1063/1.3644939网站。[3] Dubbeldam D，Calero S，Ellis DE，Snurr RQ.RASPA：柔性纳米多孔材料中吸 附 和 扩 散 的 分 子 模 拟 软 件 MolSimul2016;42 （ 2 ） ：81http://dx.doi.org/10.1080/08927022.2015.1010082网站。[4] Schwiebert L，Hailat E，Rushaidat K，Mick JR，Potoff JJ.在GPU上进行蒙特卡罗模拟的高效单元列表实现，2014年，pp. 1-30. 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