CHAPTER 03 · 시뮬레이션 만들기

단위계와 atom_style

단위계(lj/real/metal …) 선택과 atom_style 의 의미, 그리고 둘이 함께 결정하는 입력의 톤.

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NOTE 31-03-00 · 단위계와 atom_style 선택

1. 일반 사항

A. 목적

  1. 이 노트는 units 명령으로 단위계를 정하는 절차를 다룬다.
  2. 이 노트는 atom_style 명령으로 원자가 갖는 속성을 정하는 절차를 다룬다.
  3. 두 명령과 짝을 맞춰야 하는 명령을 확인한다.

B. 적용 범위

  1. 모든 LAMMPS 입력 스크립트의 초기화 단계에 적용한다.
  2. units 와 atom_style 은 모두 박스를 만들기 전에 선언한다.

C. 결과 요약

  1. 실제로는 real, metal, lj 세 단위계를 압도적으로 많이 쓴다.
  2. 응용 단계에서 가장 흔히 고르는 atom_style 은 full(분자 + 전하)과 atomic(단순 입자)이다.
  3. 기본값은 units lj, atom_style atomic 이다.
  4. units 와 atom_style 은 뒤따르는 거의 모든 명령의 의미를 좌우한다.

2. 준비 정보

A. 필요한 개념

  1. NOTE 31-02-00 의 4단계 구조 중 초기화 단계를 알아야 한다.

B. 참조 자료

참조 제목
LAMMPS 공식 매뉴얼 units, atom_style 명령
NOTE 31-02-00 입력 스크립트 구조

3. 절차

A. 단위계 선언

주의 한 번 정한 단위는 시뮬레이션 전체에 적용되고 박스를 정의한 뒤에는 바꿀 수 없다.

  1. 입력 스크립트의 거의 첫 줄에 units 를 둔다. 이것이 관례다.
units           real      # 또는 lj, metal, electron, si, cgs, micro, nano

참고 LAMMPS 내부의 산술은 늘 같다. 입력값과 출력값을 어떤 물리 단위로 해석할지는 units 명령이 정한다. 기본값은 lj 다.

B. 단위계 비교

  1. 아래 표에서 각 단위계의 길이·시간·에너지·질량 단위를 확인한다.
units 길이 시간 에너지 질량 주된 사용처
lj σ (환원) τ (환원) ε (환원) m (환원) LJ/입자 시뮬레이션
real Å fs kcal/mol g/mol 생체·유기 분자 (OPLS, AMBER, CHARMM)
metal Å ps eV g/mol 금속·결정 (EAM, MEAM, Tersoff)
electron Bohr fs Hartree amu 전자 구조 또는 양자 결합
si m s J kg 표준 SI
cgs cm s erg g 고전 CGS
micro µm µs 유도값 pg 마이크로 입자 / 콜로이드
nano nm ns 유도값 ag 나노 스케일 MD
  1. 실제로 많이 쓰는 세 단위계의 용도를 확인한다.
    1. real: 생체분자, 폴리머, 일반 유기물. 시간 단위 fs와 에너지 kcal/mol이 대부분의 분자역학 교과서와 같다.
    2. metal: 금속, 반도체, 산화물. EAM·Tersoff·MEAM 같은 금속용 포텐셜과 짝을 이룬다.
    3. lj: 환원 단위. 교과서 예제, 모델 입자, 빠른 테스트에 알맞다.

C. 단위계 선택

경고 단위를 바꾸면 수치를 모두 다시 환산해야 한다. 같은 시스템을 real 에서 metal 로 바꾸면 온도·시간·에너지 값이 모두 다르게 해석된다. 예를 들어 timestep 1.0 은 real 에서는 1 fs, metal 에서는 1 ps다. 같은 숫자가 천 배 다른 시간을 가리킬 수 있다. 단위를 바꿨다면 입력 전체를 다시 점검한다.

  1. 사용할 힘장(또는 포텐셜)을 확인한다.
  2. 힘장 파라미터가 보고된 단위에 맞춰 단위계를 고른다. 이것이 가장 안전하다.
    1. OPLS·AMBER·CHARMM 계열은 real 을 쓴다.
    2. EAM·MEAM·Tersoff 등 금속 포텐셜은 metal 을 쓴다.
    3. 교과서 LJ 입자는 lj 를 쓴다.
  3. 결과를 보고할 단위를 확인한다.
  4. 단위계를 결과 보고 단위와 맞춘다. 맞추면 분석할 때 단위를 따로 통일할 필요가 없다.

참고 매뉴얼에 따르면 LAMMPS 의 출력은 모두 units 가 정한 단위로 나온다. dump 의 좌표는 길이 단위, thermo 의 에너지는 에너지 단위 그대로다.

D. atom_style 선언

  1. 박스를 만들기 전에 atom_style 을 한 번 선언한다. atom_style 은 원자 하나가 갖는 속성을 정한다.
atom_style      atomic     # 또는 charge, molecular, full, bond, angle, ...

참고 기본값은 atomic 이다.

E. atom_style 선택

  1. 아래 표에서 시스템에 맞는 atom_style 을 고른다.
atom_style 갖는 속성 대표 사용 사례
atomic 위치, 속도, type LJ 입자, 단순 금속(EAM 등)
charge atomic + 전하 이온 결정, 단순 전해질
bond atomic + 결합 정보 결합만 있는 단순 폴리머
angle bond + 각도 가벼운 분자 (e.g. SPC 물 모델은 angle 또는 full)
molecular bond + angle + dihedral + improper 분자 시스템 (전하 X)
full molecular + 전하 대부분의 생체분자 시뮬레이션 (CHARMM, AMBER, OPLS)
dipole atomic + 쌍극자 모멘트 점쌍극자 모델
sphere atomic + 회전·반지름 거대 입자(DEM, granular)
ellipsoid sphere + 비등방 회전 Gay-Berne 같은 비대칭 입자
  1. 데이터 파일을 만들었거나 받았다면, 그 파일이 가정하는 atom_style 을 먼저 확인한다.

참고 응용 단계에서 가장 흔히 고르는 것은 full(분자 + 전하)과 atomic(단순 입자)이다. 입문 단계에서는 이 둘만 기억해도 된다.

F. 짝을 이루는 명령 맞추기

  1. 다음 명령의 값을 units 와 atom_style 에 맞춘다.
    1. mass: 단위계에 맞는 질량 값을 입력한다.
    2. pair_style, pair_coeff: 힘장 파라미터를 단위계에 맞게 입력한다.
    3. timestep: real 은 보통 1.0 (fs), metal 은 0.001 (ps), lj 는 0.005 정도가 출발점이다.
    4. velocity ... create T: T 는 단위계의 온도 단위다.

4. 시험 및 검사

A. atom_style 불일치 점검

경고 데이터 파일에 전하가 있는데 atom_style atomic 또는 bond 로 선언하면 전하가 무시된다. 이 경우 에너지 값이 이상하게 나온다.

  1. "Bonds defined but no bond_style" 오류가 나는지 확인한다. 데이터 파일에 결합 정보가 있는데 atom_style atomic 으로 선언한 경우에 난다.
  2. 데이터 파일에 전하가 있다면 선언한 atom_style 이 전하를 포함하는지 확인한다.