目前很多種水分子模型可以用于預測液態水的物理特性，或確定液態水的（未知）結構。AuToFF支持多種水模型，包括OPC, OPC3, SPC, SPC/E, SPC/Eb, TIP3P, TIPS3P, TIP3P-FB, TIP4P, TIP4P/Ew, TIP4P/2005, TIP4P/ICE, TIP4P/ε。其中，TIP4P/ICE是一種剛性平面的四點水模型，亦即除了1個O和2個H原子外還加入了1個虛原子M（在氧附近），虛原子僅具有負電荷，改善了水分子周圍的靜電分布。TIP4P/ICE是專門用來描述冰的一系列性質的水模型，對水的相圖有較好的還原（1bar下冰-Ih熔點為272.2K），因此本案例將介紹利用TIP4P/ICE水模型進行冰融化的分子動力學模擬。

圖1 TIP4P構型

力場輔助工具-AuToFF

確定起始構型

選擇AuToFF-全原子力場模塊，上傳冰晶體cif結構文件，水模型力場選擇TIP4P/ICE，即可自動轉成四點水模型的結構。冰晶體的單胞結構文件如下：

圖2 確定冰晶體結構

選擇力場

TIP4P/ICE是專門用來描述冰的一系列性質的水模型，對水的相圖有較好的還原（1bar下冰-Ih熔點為272.2K），因此模擬冰融化過程也采用TIP4P/ICE力場模型。

圖3 根據力場選擇原子類型

生成拓撲文件

根據力場的選擇即可生成拓撲文件（top文件）的相關力場參數（itp文件，包括LJ、鍵、鍵角參數，原子電荷）。此外生成拓撲文件可支持多款計算軟件，包括：GROMACS、LAMMPS、AMBER、Moltemplate、OpenMM、TINKER、CHARMM。本案例采用GROMACS軟件進行分子動力學模擬，用戶也可選擇LAMMPS進行模擬，其中下載的文件夾中除了力場拓撲文件之外還包含力場參數的文獻來源。針對晶體結構支持擴胞操作，此處設置的是5*5*5。

圖4 生成冰晶體拓撲結構

MD模擬

在模擬過程中，模擬步長設為２fs，采用Verlet算法來計算運動方程。模擬體系的三個方向均考慮周期性，是體相的模擬。具體的冰融化過程模擬采用NPT系綜，從0 K升溫到350 K，使用V-rescale控溫，參考溫度298.15 K, Berendsen控壓， 參考壓力為 1.01325 bar 。完整的GROMACS的mdp文件輸入如下：

define = integrator = md dt
= 0.002 nsteps
= 1000000 comm-grps = system energygrps = ; nstxout = 0 nstvout = 0 nstfout = 0 nstlog = 500 nstenergy = 500 nstxout-compressed = 1000 compressed-x-grps = system ; annealing = single annealing_npoints = 2 annealing_time = 0 2000 ;ps annealing_temp = 0 350 ; pbc = xyz cutoff-scheme = Verlet coulombtype = PME rcoulomb
= 0.9 vdwtype
= cut-off rvdw
= 0.9 DispCorr
= EnerPres ; Tcoupl = V-rescale tau_t
= 0.2 tc_grps = system ref_t = 298.15 ; Pcoupl
= Berendsen pcoupltype = isotropic tau_p = 0.5 ref_p = 1.01325 compressibility = 4.5e-5 ; gen_vel = no gen_temp = 298.15 gen_seed = -1 ; freezegrps = freezedim = constraints = hbonds

MD結果分析

冰融化過程的軌跡變化通過VMD作圖如下,可以清晰的展現出冰融化過程的體系結構變化。

動畫5 冰融化軌跡變化過程

編輯：黃飛