软件X 21（2023）101303原始软件出版物HTPolyNet：无定形交联聚合物全原子分子模拟的通用系统生成器放大图片作者：Cameron F.艾布拉姆斯美国宾夕法尼亚州费城德雷塞尔大学化学与生物工程系，19130ar t i cl e i nf o文章历史记录：接收26九月2022收到修订版2022年12月21日接受2022年保留字：网络聚合物分子模拟拓扑生成a b st ra ct生成交联聚合物体系的真实全原子构型是一项艰巨的任务，迄今为止主要使用闭源软件或定制的高度用户密集型工作来解决。在这项工作中，我们提出了一个强大的，开源的Python包HTPolyNet，旨在生成聚合和/或交联的全原子系统，只使用输入单体结构和聚合化学的描述。HTPolyNet与流行的GROMACS分子动力学软件包和General Amber力场一起工作除了描述HTPolyNet的结构和用途外，我们还展示了它在两种不同系统中的应用：乙烯基酯树脂和环氧胺树脂，这两种树脂都形成了致密的无定形网络系统。版权所有©2023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。代码元数据当前代码版本V。1.0.5指向此代码版本所用代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-22-00306Code Ocean compute capsule N/A法律代码许可证MIT使用git的代码版本控制系统使用Python的软件代码语言、工具和服务编译要求，操作环境依赖性numpy，scipy，matplotlib，networkx，Gromacs，Ambertools，OpenBabel如果可用开发人员文档/手册链接abramsgroup.github.io/HTPolyNet问题支持电子邮件cfa22@drexel.edu1. 动机和意义全原子分子动力学（MD）模拟可用于探测大多数这样的方法的进步攻击的基本问题的初始配置的生成。与从单体液体生成聚合构型相关联的工作流程需要理解所有可能的拓扑变化（即，聚合化学）和相关联的力场参数库，以及将这些变化应用于现有的未聚合（或部分聚合）拓扑构型的方式。*通讯作者。电子邮件地址：cfa22@drexel.edu（Cameron F. Abrams）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101303状态以产生涉及相同组单体的新聚合状态。几种自动化这一过程的方法已在有限的环境中证明是成功的[27，29，30]，包括最近使用 的 完 全 反 应 性 原 子 间 势 [32 ， 37] 。 然 而 ， 在 封 闭 源 软 件MaterialsStudio®（Biovia）之外，似乎没有开源解决方案能够实现无监督的“端到端”系统生成，用于能够处理各种聚合化学的无定形交联聚合物，至少对于大规模的经典MD模拟。在本文中，我们介绍了HTPolyNet，这是一个Python软件包，它利用开源GROMACS MD引擎[39，40]和General Amber Force Field[41]提供了一个灵活的工具，用于在最少的用户监督下生成交联配置。HTPolyNet2352-7110/©2023作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（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/softxMing Huang和Cameron F. 艾布拉姆斯软件X 21（2023）1013032连接反应。有了这些信息，HTPolyNet建立了适当的参数集，并启动了一个具有弛豫的捕获半径键形成步骤。HTPolyNet我们在两种相对常见的热固性网络聚合物上演示了HTPolyNet这两个示例很好地介绍了HTPolyNet2. 软件描述2.1. 软件构架HTPolyNet是用Python 3编写的，旨在用于Linux环境。当使用pip安装时，HTPolyNet提供对htpolynet命令的访问，该命令有几个子命令。HTPolyNet子命令包括分别用于参数化和运行系统构建的HTPolyNet参数和HTPolyNet运行;用于生成总结系统创建的图形图的HTPolyNet plots;以及用于设置示例项目目录的HTPolyNetfetch-example，这些目录构成在线教程的基础文献. 本文将主要描述HTPolyNet的运行。HTPolyNet使用一个YAML格式（yaml.org）的输入配置文件，用户通过该文件指定要构建的系统。 HT- PolyNet识别mol 2和pdb输入分子文件格式，并生成模拟就绪的GROMACS兼容拓扑和基于使用通用琥珀力场（GAFF）的参数化的坐标文件[41]。HTPolyNet在几个点调用GROMACS来执行松弛和平衡。2.2. 软件功能HTPolyNet主要工作流程的可视化如图所示。1.一、HTPolyNet的主要输入包括任何单体的分子结构文件和一个配置文件。在解析输入配置文件时，HTPolyNet使用输入结构来生成所有必需的绑定参数、原子类型和寡聚模板;这统称为“参数化”，它只需要发生一次给定的系统组成和化学。然后，“构建"阶 段 开 始 于 为 未反 应 的 液 体 生 成 初 始 拓 扑 和 坐标 文 件 ， 使 用GROMACS将其致密化和平衡。然后，构建继续到“连接-更新-松弛-平衡”（CURE）算法，如图所示。2、进行聚合反应。在CURE之后，HTPolyNet再次使用GROMACS进行固化后平衡，以生成最终的平衡坐标和相关的拓扑文件，适合作为进一步GROMACS模拟的输入。HTPolyNet的核心是CURE算法（图1）。2）的情况。CURE外部循环执行迭代，直到用户指定的con-time。版本已到。转化率定义为允许的焊接的最大数量，并且自动计算允许的焊接的在迭代内，给定固定的系统配置，CURE内部循环通过识别满足类型和邻近条件（即，在彼此的一个任何这样的对都受到键合过滤器的层次结构的影响如果没有找到可行的对，则增加搜索半径并再次执行循环;如果搜索半径超过预定义的限制，则终止CURE否则，如果任何可行的债券可以-识别出didates后，HTPolyNet进入一系列这些步骤包括可选的定向MD模拟，以在结合之前将对拉得更靠近在一起，以及迭代的基于MD的模拟。Fig. 1. HTPolyNet主要工作流程的框图。键形成后的键弛豫和任何牺牲氢的删除。创建的绑定的计数被更新，并且该算法决定是否继续搜索更多债券。如果搜索迭代不继续，则算法继续进行可选编译HTPolyNet以构建一个系统需要发出一个命令：$htpolynetruninput。yaml这里的input.yaml指的是YAML格式的输入指令文件，包含多达10个不同的顶级指令，这些指令对应于图1工作流程中主要步骤的控制。1.一、作为单体或模板的分子也HTPolyNet运行期望访问输入单体结构库，并为每个构建生成项目目录在第一次调用一个系统时，它将所有必要的分子结构参数化，并将结果存储在库中，然后继续构建一个系统。HTPolyNet根据输入文件中描述的给定单体结构和交联化学性质确定必须进行自动原子分型和力场参数化的必要最小低聚物集。HTPolyNet遵循的惯例是，在不同单体上的原子之间形成新的键可能会改变键中两个原子的类型，从而改变包含一个或两个原子的所有键合相互作用的键合相互作用中的每Ming Huang和Cameron F. 艾布拉姆斯软件X 21（2023）1013033成员：{GMA：{count：411}，STY：{count：3000}，HIE：{结构描述：[C1，C3]}}图二、H T P o l y N e t 的 C U R E 算 法 框图。这两个单体也可以与其它单体键合，这可能意味着存在新键同时改变四个不同单体中的原子类型的情况。因此，对于输入文件中给定的交联键定义，HTPolyNet必须生成的低聚物的最小最后，任何属于键合相互作用的原子，如果类型发生变化，它们的部分电荷也会更新。同一工作目录中的后续调用重用现有参数化，并在单独的项目子目录中执行。在项目目录中，HTPolyNet将其输出组织到三个子目录中：1. molecules/：所有的分子模板参数化和立体异构体坐标文件都存储在这里;参数化也被检入外部库。2. plots/：在构建过程中动态生成一组图，并存储在此处。例如，密度与致密化阶段的时间在此产生3. systems/：所有MD系统都在这里，被组织成子目录，这些子目录由前CURE/后CURE阶段和CURE迭代描述用户指定输入单体结构到HTPolyNet使用mol 2-或PDB-格式的文件， 它可以 很容易地生成 任何分子结构 图包装或使用OpenBabel等工具生成。生成输入结构文件时有两个重要的注意事项：价态守恒。在配置文件中声明为反应性的原子在单体中参与的键数必须与它们在聚合物中参与的键数相同。这“牺牲”是指任何这样的原子必须具有在反应时将被删除的如果该牺牲配体导致与通常接受的分子形式相对于苯乙烯），前者被称为原子名。用户负责为HTPolyNet需要知道的残基中的任何原子提供唯一的原子名称。可能需要直接编辑输入文件。用户使用配置文件中的反应列表声明聚合过程中可能形成的键的类型。配置文件可以在反应列表中声明任意数量的反应，声明为反应物或产物的分子可以显示为反应物或产物。在其他反应中。这使得HTPolyNet能够在任何聚合之前构建多聚体单体物质。我们在示例中讨论反应列表3. 说明性实例我们在这里考虑的两个例子很小（80，000到100，000个原子），并且它们在聚合过程中运行的时间很短（低于20 ns）。我们包括一些输入配置文件的摘录;配置文件的完整列表可以在补充材料中找到。3.1. Bis-GMA/苯乙烯乙烯基酯热固性树脂我们首先考虑双酚A-甲基丙烯酸缩水甘油酯（bis-GMA）在反应性稀释剂苯乙烯中的网络聚合;结构见图11。 3 A和B，以及相应的mol2格式的分子结构输入文件列在补充材料中以供参考。该系统通过自由基链生长进行聚合（图1）。 3 C）。Bis-GMA具有两个C=C双键，苯乙烯具有一个C = C双键;单独的苯乙烯可以交联成直链，并且Bis-GMA可以将两个这样的链交联在一起。我们考虑在苯乙烯中约40重量%乙烯基酯的中等大小的体系，其 包 含 3000 种 苯 乙 烯 和 411 种 双 -GMA 。 配 置 文 件 中 的constituents指令有三个条目：GMA是指双-GMA（图3A），STY是指苯乙烯（图3B）。HIE是指甲基丙烯酸2-羟丙酯（其氢化形式为2-羟丙基异丙酯）（图11）。3C）。通过连接2-羟丙基的3-位甲基构建Bis-GMA，一个HIE对双酚A的一个羟基的基团（“BPA”，图 3D）和类似地将另一个HIE连接到BPA的其他与生物学相关的羟基。我们在组分中包括HIE的原因是，我们可以通过立体异构体来指定两个手性碳中心键。HTPolyNet使用这些名称来生成外消旋系统自动。注意，指定的原子因为手性仅在HIE-BPA反应之后和聚合反应之后是手性的（例如，图 3 F）。配置文件中的reactions指令是一个字典列表，每个字典都被称为“reaction record” 。我们考虑的前两个反应记录用于生成bis-GMA：反应：- 我...name：B1，stage：param，··Ming Huang和Cameron F. 艾布拉姆斯软件X 21（2023）1013034-我...名称：DIMERR_XY，阶段：固化，reactants：{1：STY，2：HIE}，图三. （A）双-GMA、（B）苯乙烯、（C）甲基丙烯酸2-羟丙酯（“HIE”）和（D）双酚A（“BPA”）的化学结构。(E)含C=C双键体系自由基聚合的一般机理（F）桥接两个聚合物链的苯乙烯-双GMA-苯乙烯低聚物;手性碳用“*”表示接下来的四个反应描述了STY和HIE混合物可能的四种定向二聚体，并代表了描述聚合反应的最小反应集。首先，我们展示两个同源二聚体反应：反应B1通过将BPA的O1原子连接到HIE的C4原子上产生中间产物因此，GM 1然后反应B2将另一个HIE加入BPA（反应物1的残基1）中，这次是在O2原子处，产生产物GMA。这GMA具有序列B1和B2均标记有阶段这种通过反应构建分子来声明分子的方式使得HTPolyNet在分子种类的定义正如我们接下来将看到的，还使必须产生的寡聚体变体的数量最小化。这些生成被参数化的模板分子，因此为全局拓扑贡献相互作用类型。接下来，两个异二聚反应：-我...name：dimer_xx，阶段：固化，反应物：{1：STY，2：STY}，制备：STY~C1-C2~STY，atoms：{A：{reactant：1，resid：1，atom：C1，z：1}，B：{reactant：2，resid：1，atom：C2，z：1}}，债券：[{atoms：[A，B]，order：1}]}-我...名称：DIMERY_Y，阶段：CURE，结构：{1：HIE，2：HIE}，结构：HIE~C1-C2~HIE，atoms：{A：{reactant：1，resid：1，atom：C1，z：1}，B：{reactant：2，resid：1，atom：C2，z：1}}，债券：[{atoms：[A，B]，order：1}]}反应物：{1：BPA，2：HIE}，产物：GM 1，atoms：{A：{reactant：1，resid：1，atom：01，z：1}，B：{reactant：2，resid：1，atom：C4，z：1}}，债券：[{atoms：[A，B]，order：1}]}-我...name：B2，stage：param，反应物：{1：GM1，2：HIE}，产物：GMA，atoms：{A：{reactant：1，resid：1，atom：O2，z：1}，B：{reactant：2，resid：1，atom：C4，z：1}}，债券：[{atoms：[A，B]，order：1}]}Ming Huang和Cameron F. 艾布拉姆斯软件X 21（2023）1013035∼∼反应：-我...名称：反应物：{1：PAC，2：DGE}，概率：PAC~N1-C1~DGE，概率：1.0，atoms：{A：{reactant：1，resid：1，atom：N1，z：2}，B：{reactant：2，resid：1，atom：C1，z：1}}，债券：[{atoms：[A，B]，order：1}]}-我...名称：“第二个- t-t-t-t- a-m阶段：治愈，概率：0.5，时间：{A：{reactant：1，resid：1，atom：N1，z：1}，B：{reactant：2，resid：1，atom：C1，z：1}}，债券：[{atoms：[A，B]，order：1}]}symmetry_equivant_ams：[[C1，C2]，[C3，C4]，[O1，O2]]，立构中心：[C3]}，PAC：{计数：700，symmetry_equivent_atoms：[[N1，N2]，[C1，C2]]，立构中心：[C1]}}这些反应定义为认识到聚合总是涉及STY残基与STY或HIE残基的键合以及HIE残基与STY或HIE残基的键合请注意，GMA在任何固化反应中都没有明确声明，因为反应的是GMA内的HIE残基。HTPolyNet自动枚举所有可能的分子模板，这些模板可以解释该化学可能遇到的所有拓扑结构。总之，对于这个系统，HTPolyNet参数化了32个不同的单体和低聚分子模板。在图4A中，我们示出了三个副本构建的转化率与迭代次数，这表明需要大多数固化迭代来实现95%转化率的最后15%。在图4 B中，我们展示了图4中垂直线所示的四次迭代的分子网络的二维表示。4A表示三个复制品构建之一，其中每个不同的分子是一个节点（蓝色表示苯乙烯，红色表示双-GMA），边缘表示分子间连接。从这些表征中，我们可以看到由bis-GMA连接的聚苯乙烯链的出现。我们在补充中显示了交联之间苯乙烯聚合程度的分析（图S2）以及这些构建的系统快照的渲染图（图S3）。3.2. DGEBA/PACM环氧-胺热固性树脂我们现在考虑由双酚A的二环氧二缩水甘油醚（DGEBA）和二胺4，4 ′-二氨基二环己基甲烷（PACM）构建的体系，其结构如图所示。5A和B。环氧树脂和胺进行加成反应，产生羟基和仲胺或叔胺（图10）。 5 C）。HTPolyNet用于固化1，400 DGEBA和700 PACM的三个化学计量比例的体系，使转化率每个系统都以CA开始。103，000个原子，并以ca结束。100,000.该系统的输入配置文件在补充文件中完整列出，我们在此仅突出显示选定的部分。组成部分直接声明DGEBA成分：{DGE：{计数：1400，这里的部分单体声明是对称等价原子的声明在这里，用户可以通过名称指定属于对称集的任何数量的原子组。这意味着发生在集合中一个原子上的任何事情都可以同样发生在任何其他原子上。DGEBA是一种固有的对称分子，但对称等价原子的声明并不意味着传达这一点;相反，它是一种防止使我们不必指定非常大量的特定聚合反应。任何被称为立构中心的原子也服从对称性等价。与该体系相关的两个固化反应是仲胺和叔胺的形成：请注意，第一个反应的产物PAC N1-C1 DGE是第二个反应的反应物。还要注意PAC单元总是残基1，所以我们将两个DGE连接它必须有两个牺牲氢参与第一个，只有一个用于第二个。显然，由于PAC同时具有N1和N2，并且两者都与环氧树脂反应，因此仅这两种反应是不够的。此外，DGEPAC的N_1和N_2与DGE的C_1和C_2在同一对称集中这意味着有三个其他反应衍生自“伯胺到仲胺”：N1-C2，N2-C1和N2-C2。此外，还有一个进一步的反应，程序：STY-C1-C2-HIE，程序：{A：{reactant：1，resid：1，atom：C1，z：1}，B：{reactant：2，resid：1，atom：C2，z：1}}，债券：[{atoms：[A，B]，order：1}]}-我...步骤：步骤：固化，结构：{1：HIE，2：STY}，结构：HIE~C1-C2~STY，atoms：{A：{reactant：1，resid：1，atom：C1，z：1}，B：{reactant：2，resid：1，atom：C2，z：1}}，债券：[{atoms：[A，B]，order：1}]}Ming Huang和Cameron F. 艾布拉姆斯软件X 21（2023）1013036∼∼见图4。 （A）40重量%双-GMA/苯乙烯热固性体系的三个复制构建的转化率与迭代次数。(B)二维网络表示在由A中的垂直线指示的时间点处，从左上图像开始顺时针进行。红色节点表示苯乙烯分子，蓝色节点表示双-GMA分子。(For为了解释该图图例中对颜色的引用，读者可以参考这篇文章的网络版本图五. （A）DGEBA和（B）PACM的化学结构。(C)环氧-胺聚合反应的一般机理，形成仲胺（中间）和叔胺（右）。‘‘Secondary-to-tertiary-amine’’C2.此外，衍生自“伯胺至仲胺”的反应的产物中的每一个因此，有了这两组等效原子，最初定义的两个反应的集合扩展到12个总反应，这些反应必须被唯一地考虑以固化系统。如果我们没有声明这些原子是对称等价的，我们就必须在配置文件中显式地包含这10个其他反应。最后，请注意，我们已经使在图6A中，我们示出了该热固性材料的三个复制品构建的转化率与迭代次数，这表明，像双- GMA/苯乙烯一样，需要大部分固化迭代来实现最终的15%转化率。DGEBA/PACM体系比bis-GMA/苯乙烯体系需要更多的CURE迭代。在图6B中，我们展示了在四次迭代中的分子网络图中的线条图6A表示三个复制构建之一，其中每个不同的分子是一个节点（蓝色表示DGEBA，红色表示PACM），边缘表示分子间连接。在补编中，我们展示了选定系统的效果图（图1）。S4）。4. 影响HTPolyNet能够高通量、可再现地创建用于MD模拟的交联聚合物样品的全原子模型。其用于描述化学反应的灵活输入语法应能够对大量单体的化学变体进行比较评估由于HTPolyNet使得生成副本变得非常容易，因此用户应该能够合理地生成这将提高他们预测的鲁棒性和准确建模此类系统的能力。用于产生无定形网络聚合物的全原子系统的现有解决方案遭受若干缺点，这些缺点共同为像HTPolyNetM技术这样的解决方案提供了很好的理由Ming Huang和Cameron F. 艾布拉姆斯软件X 21（2023）1013037见图6。（A）化学计量DGEBA/PACM热固性体系的三个复制构建的转化率与迭代次数。 (B)一个复制品的聚合系统的二维网络红色表示DGEBA分子，蓝色表示PACM分子。(For为了解释该图图例中对颜色的引用，读者可以参考这篇文章的网络版本涉及大量的用户干预（例如，如果使用LAMMPS），因为缺少自动原子类型（如前室）和拓扑生成脚本之间的集成。这限制了用户生成大量系统的能力。封闭源解决方案Materials Studio在系统尺寸方面受到严重限制，超过数万个原子的系统很难治愈。此外，Materials Studio将用户限制在一个力场和MD模拟包中。由于HTPolyNet以用户友好的方式利用了流行的通用全原子力场和流行的分子动力学软件包（分别为GAFF和GROMACS），因此它避免了这些限制。HTPolyNet的完整文档可在线获取。包括七个不同的教程，包括这里显示的两个例子以及更简单和更复杂的化学。5. 结论我们已经提出了一个Python包，用于生成聚合系统的全原子实现，称为HTPolyNet。HTPolyNet允许用户仅描述单体的分子结构和使其聚合的化学反应，并处理其余部分，生成与GROMACS兼容的拓扑结构和代表聚合系统的坐标文件。我们在这里描述了它的许多功能，其他功能在在线文档中有详细我们举例说明了HTPolyNet在生成高达100，000个原子的乙烯基酯和环氧胺热固性体系中的应用，固化水平为95%或更高。HTPolyNet应该能够轻松、可重复地生成大量可能的聚合系统。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数据可用性数据将根据要求提供。致谢我们感谢Ketan Khare博士的有益和刺激的讨论。研究由美国陆军研究实验室赞助，并根据合作协议编号W 911 NF-14-2-0227和W 911F-12-R- 0011完成。本文件中包含的观点和结论是作者的观点和结论，不应被解释为代表陆军研究实验室或美国政府的官方政策，无论是明示的还是暗示的。美国政府被授权为政府目的复制和分发重印本，尽管此处有任何版权说明。感谢DOD高性能计算现代化计划（HPCMP）提供的计算资源附录A. 补充数据与本文相关的补充材料可以在https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101303上找到。补充数据中包括（1）粘合过滤算法的详细描述;（2）此处报告的示例构建的两个完整配置文件的列表;（3）所有输入单体mol 2文件的列表;以及（4）代表性结果和渲染。引用[1]李C，Strachan A.热固性聚合物交联过程的分子模拟。聚合物2010;51（25）：6058-70. http://dx.doi.org/10的网站。1016/j.polymer.2010.10.033.[2] 李C，Strachan A.热固聚合物EPON 862/DETDA的热力学和力学性质的分子动力学预测聚合物2011;52（13）：2920-8.http://dx.doi.org/10.1016/j.polymer.2011.04.041网站。[3]Shenogina NB，Toghum M，Patnaik SS，Mukhopadhyay SM.热固性聚合物网 络 热 机 械 行 为 预 测 的 分 子 模 拟 方 法 。 大 分 子 2012;45 （ 12 ） ： 5307-15.http://dx.doi的网站。org/10.1021/ma3007587。[4]作者：Jiang Jiang，Shibayama M.交联酚醛树脂的原子分子动力学研究。SoftMatter 2012;8（19）：5283-92. 得双曲正切值. doi.org/10.1039/c2sm25067e网站。[5] Soni NJ，Lin PH，Khare R.交联剂长度对热性能的影响交联环氧树脂网络 的 体 积 性 质 ： 分 子 模 拟 研 究 。 聚 合 物 2012;53 （ 4 ） ： 1015-9.http://dx.doi.org/10.1016/j的网站。polymer.2011.12.051网站。Ming Huang和Cameron F. 艾布拉姆斯软件X 21（2023）1013038[6] Sirk TW，Khare KS，Karim M，Lenhart JL，Andzelm JW，McKenna GB，etal.交叉交联环氧树脂的高应变率机械性能玻璃化转变聚合物2013;54（26）：7048-57. 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