Od prediktorů a SHAKE metody k jednotnému integračnímu schématu pro molekulární dynamiku

Molekulární dynamika (MD) poskytuje detailní vhled do dějů na molekulární úrovni. V průběhu let jejího vývoje bylo vyvinuto mnoho postupů integrace pohybových rovnic, které tvoří její základ. Postupem času se vytříbilo několik algoritmů, které jsou považovány za nejlepší, a počáteční variabilita integračních metod tak vzala za své. Přestože jsou používané metody mnohdy opravdu adekvátní, občas se vyskytnou i úlohy, kde by mohlo být výhodné použít alternativní přístup. Cílem této práce tak bylo ukázat alternativní univerzální přístup k formulaci integračních algoritmů pro MD. Navržené „jednotné integrační schéma“ pro MD založené na prediktorech obsahuje značnou část variability, která se časem vytratila.

Prvním krokem k jednotnému schématu byla adaptace tradiční SHAKE metody pro integraci molekulárních systémů s pevnými vazbami do integračního schématu prediktor–korektor, dalším krokem pak zahrnutí metody pro předpověď rychlostí (time-reversible velocity predictor). V rámci tohoto přístupu je pak možné použít jak tradiční Verletovu integrační metodu, tak nedávno vylepšené metody Gearovy. Výsledné jednotné integrační schéma bylo testováno na dvou jednoduchých modelech a dvou realistických MD systémech: na SPC/E modelu vody a na modelu jednoduché iontové kapaliny (1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluorborátu). Pomocí navrženého algoritmu byly vygenerovány trajektorie v mikrokanonickém, kanonickém (Nosé–Hoover) a isobarickém (MTK) souboru. Když se v novém schématu použila jako základ Verletova metoda, byly získané výsledky ve velmi přesvědčivé shodě s výsledky získanými konvenčními algoritmy. Ukázalo se také, že v některých případech může být výhodné použít Gearovy metody, které jsou vyššího řádu. Naše univerzální schéma nabízí ve srovnání se standardními přístupy podstatně jednoduší způsob, jak navrhovat nové integrační algoritmy, což může zjednodušit údržbu simulačních programů pro MD. Výsledné algoritmy se navíc skvěle hodí i pro masivně paralelní implementaci.

• J. Janek: From predictors and SHAKE toward unified integration scheme for molecular dynamics. J. Chem. Phys. 162, 084103, 2025. DOI