En las simulaciones de dinámica molecular (MD), el efecto de cubo de hielo volador es un artefacto en el que la energía de los modos fundamentales de alta frecuencia se drena en modos de baja frecuencia, particularmente en movimientos de frecuencia cero como la traslación y rotación general del sistema. El artefacto deriva su nombre de una manifestación particularmente notable que surge en las simulaciones de partículas en el vacío , donde el sistema que se simula adquiere un alto momento lineal y experimenta movimientos internos extremadamente amortiguados, congelando el sistema en una única conformación que recuerda a un cubo de hielo u otro rígido. cuerpovolando por el espacio. El artefacto es completamente una consecuencia de los algoritmos de dinámica molecular y no es físico en absoluto, ya que viola el principio de equipartición de energía . [1]
Origen y evitación
El artefacto del cubo de hielo volador surge de repetidos cambios de escala de las velocidades de las partículas en el sistema de simulación. El cambio de escala de la velocidad es un medio de imponer un termostato al sistema multiplicando las velocidades de las partículas de un sistema por un factor después de que se completa un paso de tiempo de integración, como lo hacen el termostato Berendsen y el termostato Bussi – Donadio – Parrinello. [2] Estos esquemas fallan cuando el cambio de escala se realiza a una distribución de energía cinética de un conjunto que no es invariante bajo la dinámica molecular microcanónica ; así, el termostato Berendsen (que cambia la escala al conjunto isocinético) exhibe el artefacto, mientras que el termostato Bussi-Donadio-Parrinello [2] (que cambia la escala al conjunto canónico) no exhibe el artefacto. El cambio de escala a un conjunto que no es invariante bajo la dinámica molecular microcanónica da como resultado una violación de la condición de equilibrio que es un requisito de las simulaciones de Monte Carlo (las simulaciones de dinámica molecular con termostatos de cambio de escala de velocidad se pueden considerar como simulaciones de Monte Carlo con movimientos de dinámica molecular y velocidad movimientos de cambio de escala), que es la razón subyacente del artefacto. [3]
Cuando se descubrió por primera vez el problema de los cubitos de hielo voladores, el termostato Bussi – Donadio – Parrinello [2] aún no se había desarrollado y se deseaba seguir usando el termostato Berendsen debido a la eficiencia con la que los termostatos de cambio de velocidad relajan los sistemas a las temperaturas deseadas . Por lo tanto, se dieron sugerencias para evitar el efecto de cubitos de hielo voladores bajo el termostato Berendsen, como eliminar periódicamente los movimientos del centro de masa y usar un tiempo de acoplamiento de temperatura más largo. [1] Sin embargo, más recientemente se ha recomendado que la mejor práctica es suspender el uso del termostato Berendsen por completo en favor del termostato Bussi – Donadio – Parrinello [2] , ya que se ha demostrado que este último termostato no exhibe el efecto de cubo de hielo volador. [3]
Referencias
- ^ a b Harvey, Stephen C .; Tan, Robert K.-Z .; Cheatham, Thomas E. (mayo de 1998). "El cubo de hielo volador: el cambio de escala de la velocidad en la dinámica molecular conduce a la violación de la equipartición de energía". Revista de Química Computacional . 19 (7): 726–740. doi : 10.1002 / (SICI) 1096-987X (199805) 19: 7 <726 :: AID-JCC4> 3.0.CO; 2-S .
- ^ a b c d Bussi, Giovanni; Donadio, Davide; Parrinello, Michele (7 de enero de 2007). "Muestreo canónico mediante reescalado de velocidad" . La Revista de Física Química . 126 (1): 014101. arXiv : 0803.4060 . doi : 10.1063 / 1.2408420 . ISSN 0021-9606 .
- ^ a b Braun, E .; Moosavi, SM; Smit, B. (2018). "Efectos anómalos de los algoritmos de cambio de escala de velocidad: el efecto del cubo de hielo volador revisado". Revista de teoría química y computación . 14 (10): 5262–5272. arXiv : 1805.02295 . doi : 10.1021 / acs.jctc.8b00446 .