【LAMMPS学习】八、基础知识(4.3)TIP3P水模型

8. 基础知识

此部分描述了如何使用 LAMMPS 为用户和开发人员执行各种任务。术语表页面还列出了 MD 术语，以及相应 LAMMPS 手册页的链接。 LAMMPS 源代码分发的 examples 目录中包含的示例输入脚本以及示例脚本页面上突出显示的示例输入脚本还展示了如何设置和运行各种模拟。

8.1.通用基础知识

8.2. 设置入门

8.3. 分析入门

8.4. 力场入门

8.4.1. CHARMM、AMBER、COMPASS 和 DREIDING 力场

8.4.2. AMOEBA 和 HIPPO 力场

8.4.3. TIP3P 水模型

CHARMM (MacKerell)中实现的 TIP3P 水模型指定了 3 个位点的刚性水分子，其中的电荷和 Lennard-Jones 参数分配给 3 个原子中的每一个。

具有截止库仑的合适对样式是：

pair_style lj/cut/coul/cut

或以下用于远程库仑模型的命令：

pair_style lj/cut/coul/long
pair_style lj/cut/coul/long/soft
kspace_style pppm
kspace_style pppm/disp kspace_style ppm/disp

在 LAMMPS 中， fix shake 或 fix rattle 命令可用于保持两个 O-H 键和 H-O-H 角刚性。还应使用 Harm 的键样式和 Harm 或 charmm 的角度样式。如果是刚性粘合，也可以使用零粘合型和零角粘合型。

下表列出了水分子原子运行带截止的刚性或柔性 TIP3P-CHARMM 模型、原始 1983 TIP3P 模型 (Jorgensen) 或参数优化的 TIP3P 模型的力场参数（以实际单位表示）远程库仑求解器（例如 LAMMPS 中的 Ewald 或 PPPM）（价格）。如果需要灵活的 TIP3P 模型（无固定抖动），则可以使用 K 值，对于刚性键/角，它们将被忽略。

Parameter	TIP3P-CHARMM	TIP3P (original)	TIP3P (Ewald)
O mass (amu)	15.9994	15.9994	15.9994
H mass (amu)	1.008	1.008	1.008
O charge (e)	-0.834	-0.834	-0.834
H charge (e)	0.417	0.417	0.417
LJ $eq?%5Cepsilon$ of OO (kcal/mole)	0.1521	0.1521	0.1020
LJ $eq?%5Csigma$ of OO (Å)	3.1507	3.1507	3.188
LJ $eq?%5Cepsilon$ of HH (kcal/mole)	0.0460	0.0	0.0
LJ $eq?%5Csigma$ of HH (ÅÅ)	0.4	1.0	1.0
LJ $eq?%5Cepsilon$ of OH (kcal/mole)	0.0836	0.0	0.0
LJ $eq?%5Csigma$ of OH (ÅÅ)	1.7753	1.0	1.0
K of OH bond (kcal/mole/ $eq?%5Ctext%20%7B%C5%7D%5E2$ )	450	450	450
$eq?r_0$ of OH bond (ÅÅ)	0.9572	0.9572	0.9572
K of HOH angle (kcal/mole)	55.0	55.0	55.0
$eq?%5Ctheta_0$ of HOH angle	104.52∘	104.52∘	104.52∘

下面是 LAMMPS 输入文件和 TIP3P 水分子文件 ( tip3p.mol ) 的代码，与 molecule 命令一起使用，演示了如何为具有刚性键的 TIP3P 设置小型水系统。

units real
atom_style full
region box block -5 5 -5 5 -5 5
create_box 2 box bond/types 1 angle/types 1 &extra/bond/per/atom 2 extra/angle/per/atom 1 extra/special/per/atom 2mass 1 15.9994
mass 2 1.008pair_style lj/cut/coul/cut 8.0
pair_coeff 1 1 0.1521 3.1507
pair_coeff 2 2 0.0    1.0bond_style zero
bond_coeff 1 0.9574angle_style zero
angle_coeff 1 104.52molecule water tip3p.mol
create_atoms 0 random 33 34564 NULL mol water 25367 overlap 1.33fix rigid all shake 0.001 10 10000 b 1 a 1
minimize 0.0 0.0 1000 10000reset_timestep 0
timestep 1.0
velocity all create 300.0 5463576
fix integrate all nvt temp 300 300 100.0thermo_style custom step temp press etotal pethermo 1000
run 20000
write_data tip3p.data nocoeff

# Water molecule. TIP3P geometry3 atoms
2 bonds
1 anglesCoords1    0.00000  -0.06556   0.00000
2    0.75695   0.52032   0.00000
3   -0.75695   0.52032   0.00000Types1        1   # O
2        2   # H
3        2   # HCharges1       -0.834
2        0.417
3        0.417Bonds1   1      1      2
2   1      1      3Angles1   1      2      1      3Shake Flags1 1
2 1
3 1Shake Atoms1 1 2 3
2 1 2 3
3 1 2 3Shake Bond Types1 1 1 1
2 1 1 1
3 1 1 1Special Bond Counts1 2 0 0
2 1 1 0
3 1 1 0Special Bonds1 2 3
2 1 3
3 1 2

维基百科还有一篇关于水模型的好文章。

Ref:

(MacKerell) MacKerell, Bashford, Bellott, Dunbrack, Evanseck, Field, Fischer, Gao, Guo, Ha, et al, J Phys Chem, 102, 3586 (1998).

(Jorgensen) Jorgensen, Chandrasekhar, Madura, Impey, Klein, J Chem Phys, 79, 926 (1983).

(Price) Price and Brooks, J Chem Phys, 121, 10096 (2004).