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软件X 14(2021)100683原始软件出版物Explorer.py:绘制复杂材料的能量分布图科林·J作者:John C.Mauro宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系,University Park,PA 16802,USAar t i cl e i nf o文章历史记录:接收6二月2020收到修订版2020年9月24日接受2021年保留字:能量景观蒙特卡罗特征向量a b st ra ct材料的能量景观包含描述任何过程的热力学和动力学的信息,使其对理解一系列重要现象具有价值。绘制能源景观是一项艰巨的任务,有多种方法提供了不同的方式来探索景观。在这项工作中,我们提出了我们的新软件,有三种技术来并行探索能源景观,包括一种新的算法。我们的软件基于一个熟悉的框架LAMMPS,允许LAMMPS的任何用户快速获得探索能源景观的能力。版权所有©2021作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。代码元数据当前代码版本v1此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2020_31Code Ocean compute capsulenoneGNU通用公共许可证使用的代码版本控制系统无使用的软件代码语言、工具和服务Python3.7、mpi、LAMMPS python库、lammps-HESSIAN编译要求、操作环境依赖MEP python库、numpy、pandas、matplotlib、scipy、mpi 4py如果可用开发人员文档/手册链接无问题支持电子邮件cxw824@psu.edu1. 动机和意义能量景观最早是由Stillinger提出的,他提出了这个概念,作为理解复杂条件下材料演化的一种方法[1自Stillinger的开创性工作[ 1 ]以来能量景观的概念已经变得司空见惯,并且在描述材料的时间演化时很容易被唤起[3,6,9尽管能量景观被用来解释材料的行为,但由于相关的计算挑战,绘制景观的过程仍然很困难[5,13]。为了绘制一幅能量图,我们必须找到一组局部极小值和一阶sad-连接所述最小值的每个成对组合的端点。每个最小值被称为一个固有结构,材料的结构/化学稳定状态。盆地是在最小化时收敛到相同固有结构的结构集合[1]。特别是在玻璃科学中,*通讯作者。电子邮件地址:cxw824@psu.edu(Collin J. Wilkinson),jcm426@psu.edu(John C.Mauro)。https://doi.org/10.1016/j.softx.2021.100683能量景观用于证明最常使用分子动力学模拟(MD)计算的复杂行为[7,14,15]。当考虑到常用MD软件包的易用性时,很容易理解为什么MD被如此频繁地使用。例如,LAMMPS [16]创造了一个低门槛的使用,使没有编程经验的人基于LAMMPS建模的这种易用性,以及LAMMPS的显式Python桥梁,我们开发了一种软件,可用于通过各种勘探技术勘探能源景观类似的软件[5,17大多数以前的软件包包括只有一种方法来映射景观,通常要求用户进行某种程度的编程。一旦绘制了能源景观图,热-可以容易地计算给定系统的动力学和动力学[19,22]。热力学驱动力由当前固有结构的能量与最低状态的能量之间的差给出,而动力学是系统跨越微观状态之间的势垒的速率。这可以在任意时间尺度上显式计算,2352-7110/©2021作者。由爱思唯尔公司出版。这是一篇开放获取的文章,使用CC BY-NC-ND许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页:www.elsevier.com/locate/softx科林·JWilkinson和John C.Mauro软件X 14(2021)1006832√m=0。(一)使用另一个软件KineticPy计算温度[23]。能源景观和相关的动力学提供了深入了解材料行为的详细性质。绘制能源景观允许对一系列传统上无法实现的过程进行建模,例如玻璃弛豫。这个软件的优点(与其他绘制能源景观的代码相比)是它只需要LAMMPS的知识就可以运行。此外,我们的软件包含三种方法来绘制景观。在这项工作中,用于探索能量景观的三种不同方法中的第一种是特征向量[24]。特征向量跟踪在过去已经被用来生成预测玻璃化转变和蛋白质折叠的景观-路[25,26]。该实现遵循Mauro等人的工作。[24,27]并对每个特征向量使用独立的拉格朗日特征向量跟踪法擅长于快速发现小的障碍;然而,它很少发现复杂材料中的独特结构变化(特别是在具有周期性边界条件的系统中)。我们已经实施的第二种方法,遵循Niblett等人的步骤。[13],是分子动力学和轻推弹性带方法(NEB)的组合[20,21]。为了找到转变点,MD在固定的温度下运行固定的时间,结构被最小化,然后NEB被用来找到初始结构和新的固有结构之间的鞍点关于轻推弹性带方法的详细信息可以在其他地方找到[20]。使用这些技术,可以绘制足够大的景观,使动力学和热力学测量成为可能。这两种方法受益于这样的事实,即当体积变化时,它们工作良好,并且一起实现焓景观的计算成本低廉的映射[27,28](其中体积不再固定,而是压力)。然而,由于涉及的计算成本,不建议在该软件中从MD生成大焓图虽然分子动力学是一种强大的技术,但要模拟少量的时间需要大量的计算成本。第三种方法是一种新的技术,试图规避MD的计算成本,同时仍然发现大的结构变化。我们将这种技术命名这种技术依赖于用乘数推动特征向量,而不是步进。在系统被推后,系统被最小化,并且如果最小化的结构具有大于阈值的位移,则执行NEB计算以找到鞍点。通过在特征向量的方向上推,目标是再现由于振动模式而引起的大的变化。固定乘数(m0)是通过在给定的本征向量方向i(ai)上取目标距离(d)和原子j(vij)中的最大位移量来计算的D0max[νij]为了从三维中的特征向量转换为位移量,我们使用以下表达式,vij=ai[3j]2+ai[3j+1]2+ai[3j+2]2。(二)维度j具有系统中原子数的长度。该软件使用从LAMMPS输入脚本创建的系统和电位,因此可以广泛访问不同的电位和可能的系统。必须提供的唯一输入是LAMMPS中用于分子动力学的文件。如果该脚本已用于分子动力学,则只需删除任何恒温器或恒压器以及任何从底层LAMMPS框架的变量)。如果LAMMPS输入脚本成功设置了模拟,则可以通过命令行选项控制所有其他变量和参数,如“说明性示例”部分所述。初始结构也将从输入脚本中获取2. 软件描述ExplorerPy是一个用Python编写的软件,具有模块化功能和易用性。它可以从linux终端运行,所有主要选项都可以通过命令行设置。然后,软件生成存储在min.dat文件中的固有结构能量列表,并将每个成对固有结构的转变点能量存储在tsd.dat文件中。 所有过渡点和最小值都存储在同一个目录中,从该目录中运行.xyz文件,并且如果在模拟启动时存在任何这些.xyz文件,则该文件将继续按时间顺序创建文件。2.1. 软件构架软件架构如图所示。1.一、步进过程的细节可以在其他地方找到。变量MD频率和ET频率在软件启动时2.2. 软件功能该软件能够绘制任意系统的能源景观,即,可以在LAMMPS中模拟的任何系统。这使得复杂的热力学和动力学的演变的准确预测。该软件不需要编程,可以通过命令行选项进行控制。ExplorerPy打印所有的盆地,过渡态,固有体积,以及有关系统曲率的信息,这是计算特定长时间尺度上的复杂现象所需2.3. 常见错误最常见的错误是由于收敛失败而重复步进过程。这通常对应于力和曲率阈值的非收敛值纠正这种情况的最简单方法是使力阈值更大,步长更小,但是,如果搜索过渡点超时,则应增加步长,直到在指定时间内容易发生收敛。另一个常见的错误是软件可以直接退出而不指定任何细节。这对应于LAMMPS脚本中的一个基本错误。最好在运行代码映射景观之前测试脚本(使用LAMMPS可执行文件),这将捕获大多数错误。如果错误的位置不明显,LAMMPS输出被打印在screen.dat文件中,如果产生的错误导致无意义的数字,则可能与所使用的单位有关。ExplorerPy仅设置为在LAMMPS金属单元内工作。3. 说明性实例要运行该软件,只需为每种模式设置几个参数。当运行命令行选项时,必须设置力阈值(-force)、曲率阈值(-curve)和步长(-stepsize),以允许对给定景观进行稳定的勘探,这些似乎是特定于潜在的,并且对于给定的潜在似乎相当稳定。最好科林·JWilkinson和John C.Mauro软件X 14(2021)1006833Fig. 1. 程序流程示意图。从右上角开始运行,直到满足粉红色框中的条件。黄钻代表检查和蓝色操作。(关于此图例中颜色的参考解释,请读者参考本文的网络版本对于力阈值开始为大,对于本征阈值和步长开始为小如果不使用特征向量跟踪,则不需要调整这些值。除此之外,还有几个命令行选项,只需要file(-file)命令:-file [file input]:这是一个标准的LAMMPS输入,如果输入设置了一个LAMMPS运行,它将工作来设置这个。LAMMPS脚本中不应有任何-press [指定压力(单位:大气压)]:如果指定了该压力,则系统将始终最小化到该压力,而如果未指定,则体积保持固定。-num [要勘探的盆地数量]-time [max time to run in hours]如果在找到盆的数量之前达到此时间,则模拟将停止• -thresh [保持屏障的最小能量]-center:如果这作为标志给出,则系统将在每个步骤中被设置为锚位置。-anchor [原子选择位置保持不变]-md [frequency of molecular dynamics search]:如果没有提供自定义MD LAMMPS文件,则默认以3000K启动所有原子并运行50 fs。-shove [本征频率]- 自定义[用于MD探索的文件]-help [列出软件中所有可能的命令及其描述]然后将以以下方式执行示例运行[mpirun -np 5 python3.7 Explorer.py-file in.SiO2 -num 1000- 力1.0 -曲线1 e− 5- 步长0.12 -按下0.0 -md 11 -时间48]这将启动一个运行,其中五个并行处理器搜索1000个盆,每11次搜索运行一个MD步骤,最长时间为48小时。此命令的结果显示在图二.下面我们附上了一个in.SiO2的示例,与示例相关的输出和其他脚本已上传到相关的GitHub。atom_modify map是单位金属边界p p p原子型电荷read_data SiO2.dat质量2 15.9994 #O质量1 28.0855 #Si2型装药-1.2 #O装置1型装药2.4#Si对式表线性9001pair_coeff 1 1 BKS.wolf.tablepair_coeff 1 2 BKS.wolf.tablepair_coeff 2 2 BKS.wolf.tablepair_write 1 1 9001 rsq 0.3 10.17 bks.wolf.pair_write 1 2 9001 rsq 0.3 10.17 bks.wolf.pair_write 2 2 9001 rsq 0.3 10.17 bks.wolf.相邻0.5 binneigh_modify每1次延迟0检查是运行04. 影响该软件旨在提供一种工具,使能源景观图更容易为更广泛的化学和材料研究社区所用。ExplorerPy与我们的其他软件一起,将提供一个统一的工具,将能源景观无缝集成到共同使用中,以探索任意时间尺度上的复杂现象。该工具可以在工业和学术环境中进行调整,以探索由于时间限制而无法使用MD的效果具体来说,我们相信这个工具将适用于研究玻璃弛豫,蛋白质动力学,以及任何由长时间结构变化组成的过程。··········科林·JWilkinson和John C.Mauro软件X 14(2021)1006834图二.SiO2的焓景观。这是使用上面的命令探索的,然后使用PyConnect绘制。1 该图是一个不连通图,其中每条终止线表示固有结构,并且两条线相交处的轨迹描述了激活势垒。 这些势取自BKS势[29],即Wang等人生成的景观几乎完全相同[30]。在GitHub上为silica提供了两种可能性5. 结论我们已经报道了ExplorerPy:一个用于绘制能源景观的开源工具,它结合了三种勘探方法,使用门槛很低可用于绘制景观的方法该软件已被编写为使用LAMMPS作为底层库,因此允许使用过多的系统和潜力,与以前的代码相比,允许更大的多样性。竞合利益作者声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,可能会影响本文报告的工作确认我们要感谢Karan Doss就软件的结构和用户友好性进行了富有洞察力的讨论。我们还要感谢Corning Incoporated一直以来的支持。引用[1] Stillinger FH,Weber TA. Phys Rev A1982;25:978-89.[2] 斯蒂林杰 化学物理杂志1988;88:7818-25.[3] NeelamrajuS,Oligschleger C,Schön JC.J Chem Phys 2017;147:152713.[4] Prada-Gracia D,Gómez-Gardeñes J,Echenique P,Falo F. PLoS ComputBiol2009;5:e1000415.[5]威尔士DJ,Scheraga HA。Science 1999;285(80):1368[6]PollakE,Auerbach A,Talknerz P. Biophys J 2008;95:4258[7]MauroJC,Gupta PK,Loucks RJ.J Chem Phys 2007;126:184511.[8]Mauro JC,Smedskjaer MM. J Non Cryst Solids2014;396[9]瑙米斯 Phys Rev E2005;71:026114。[10]放大图片作者:Benjamin SJ,Hammes GG,Hammes-Schiffer S.生物化学2008;47:3317 - 21.[11]Roca M,Messer B,Hilvert D,Warshel A. Proc Natl Acad Sci USA2008;105:13877-82.[12]Li P,Henkelman G,Keith JA,Johnson JK. J Phys Chem C 2014;118:21385 -99.[13]Niblett SP,Biedermann M,Wales DJ,De Souza VK. J ChemPhys2017;147:152726.[14]杨伟,王伟. Phys RevLett2017;119:1-5.[15]杨文,王文. Phys Rev Lett2015;115:165901。[16]普林顿·史蒂夫。 J Comput Phys1995;117:1-19.[17]MousseauN,Barkema GT. Phys Rev E 1998;57:2419[18]El-Mellouhi F,Mousseau N,Lewis LJ.物理学修订版B 2008;78:153202。[19]第十九话Mol Phys 2002;100:3285[20]HenkelmanG,Jónsson H,Jó Nsson H.J Chem Phys 2000;113:9978[21] [10]杨晓,李晓. J ChemPhys2012;136:074103.[22]MauroJC,Loucks RJ,Balakrishnan J,Raghavan S.第126章.[23]MauroYZ,Wilkinson CJ,Mauro JC.SoftwareX 2020;11:100393.[24]MauroJC,Loucks RJ,Balakrishnan J. J Phys Chem A 2005;109:9578[25]放大图片作者:MauroJC,Allan DC,Potuzak M.物理学修订版B 2009;80:094204。[26]Röder K,Wales DJ. 生物化学2018;57:6180-6.[27]MauroJC,Loucks RJ,Balakrishnan J. J Phys Chem B 2006;110:5005[28]MauroJC,Loucks RJ.物理学修订版B 2007;76:174202。[29]vanBeest BWH,Kramer GJ,van Santen RA.物理学评论快报1990;64:1955[30] 王M,Anoop Krishnan NM,王B,Smedskjaer MM,Mauro JC,BauchyM.J Non Cryst Solids 2018;498:2941https://github.com/lsmeeton/pyconnect。
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