Project: 17 (pw.x) H2O molecule molecular dynamics (Born­ Oppenheimer) | Quantum Espresso Tutorial

Summary

В этом видео автор подробно объясняет, как выполнить молекулярную динамику для молекулы воды с использованием модулей PWscf (PW2X) и CP2K в Quantum Espresso. Автор показывает, как настроить симуляцию, выбрать оптимальные параметры времени (20 атомных единиц для одного шага) и наблюдать вибрационные режимы молекулы воды с помощью программы Xcrysden. Также рассматриваются особенности работы с ансамблем NVT и анализ осцилляций температуры в ходе симуляции. Это видео полезно для тех, кто интересуется расчетами молекулярной динамики и поведением молекул на атомарном уровне.

Takeaways

• 😀 В этом видео показано, как рассчитать молекулярную динамику молекулы воды с использованием PW tracks в Quantum Espresso.
• 😀 В Quantum Espresso есть два варианта для выполнения молекулярной динамики: PW2X и CP2X. Видео охватывает только PW2X.
• 😀 Время шага для PW2X и CP2X отличается: 1 атомарная единица времени примерно равна 0.05 фемтосекунды.
• 😀 Для молекулярной динамики молекулы воды достаточно симуляции длиной 100 фемтосекунд, чтобы изучить несколько вибрационных мод.
• 😀 Для одного атома в молекуле вода не нужно учитывать тепловое равновесие, но для более крупных систем это важно.
• 😀 В Quantum Espresso шаг времени не измеряется в фемтосекундах, необходимо преобразовать его в атомарные единицы времени (DT=20 атомарных единиц ≈ 1 фемтосекунда).
• 😀 Для симуляции выбираются 100 шагов (100 фемтосекунд) и выполняется расслабление структуры перед запуском молекулярной динамики.
• 😀 Для моделирования используется ансамбль Н,Т (канонический ансамбль) для сохранения энергии системы.
• 😀 После выполнения расслабления структуры, она используется для начала молекулярной динамики, и температура устанавливается на 300 К.
• 😀 Для наблюдения колебаний молекулы используется программа Xcrysden, которая позволяет визуализировать вибрации молекулы воды в реальном времени.
• 😀 На основе проведенного расчета видно, что период колебаний молекулы воды составляет примерно 10 фемтосекунд, что соответствует литературным данным.
• 😀 В следующем видео будет рассмотрен вариант использования CP2X, который дает больше свободы при выборе ансамбля и параметров термодинамики.

Q & A

Что такое молекулярная динамика и как она используется для моделирования молекулы воды?

Молекулярная динамика — это метод численного моделирования, который используется для изучения движения атомов и молекул. В этом видео рассматривается использование метода молекулярной динамики для моделирования молекулы воды с использованием пакета программ Quantum ESPRESSO.

Какие два метода можно использовать для выполнения молекулярной динамики в Quantum ESPRESSO?

В Quantum ESPRESSO есть два метода для выполнения молекулярной динамики: PW2X и CP2X. PW2X использует уравнения Ньютона для моделирования динамики, а CP2X позволяет больше настроек для различных ансамблей, таких как NVT или NVE.

Почему важно правильно выбрать временной шаг в молекулярной динамике?

Правильный выбор временного шага критичен для точности моделирования. В видео указано, что для молекулы воды временной шаг должен быть около 1 фемтосекунды, что позволяет точно захватывать колебания молекулы, такие как растяжение и изгиб.

Как переводится временной шаг из фемтосекунд в атомные единицы?

В Quantum ESPRESSO временной шаг задается в атомных единицах. Один атомный шаг равен примерно 0.05 фемтосекунды, поэтому для молекулярной динамики, где временной шаг составляет 1 фемтосекунду, устанавливается значение DT = 20 атомных единиц.

Какой температурный режим используется для молекулярной динамики в этом видео?

В видео используется канонический ансамбль (NVT), при котором температура сохраняется постоянной на протяжении симуляции. Температура молекулы воды устанавливается на уровне 300 К (комнатная температура).

Какую роль играет этап релаксации структуры молекулы в процессе моделирования?

Этап релаксации структуры важен для того, чтобы молекула воды оказалась в стабильном состоянии, прежде чем начать молекулярную динамику. Это помогает исключить начальные напряжения и гарантирует, что симуляция будет происходить на физически правильной конфигурации.

Какие проблемы могут возникнуть при моделировании очень маленьких систем, таких как одиночная молекула воды?

При моделировании маленьких систем, таких как одиночная молекула воды, температура может значительно колебаться, что приводит к большим осцилляциям. Это связано с малым количеством частиц, из-за чего система не может поддерживать стабильную температуру.

Как можно визуализировать молекулярную динамику молекулы воды?

Для визуализации молекулярной динамики молекулы воды используется программа Xcrysden, которая позволяет просматривать движения молекулы в 3D и анализировать вибрации и вращения молекулы за 100 шагов симуляции.

Как можно оценить период колебаний молекулы воды в ходе молекулярной динамики?

Оценка периода колебаний молекулы воды производится путем наблюдения за анимацией движения молекулы. В видео показано, что за 100 шагов симуляции молекула выполняет около 10 полных колебаний, что соответствует временному периоду около 10 фемтосекунд.

Какие преимущества дает использование CP2X для молекулярной динамики?

Метод CP2X предоставляет больше свободы и настроек по сравнению с PW2X, включая возможность выбора разных ансамблей, таких как NVT, а также более гибкие параметры для моделирования термодинамических процессов и разных условий симуляции.