시스템 정의

4.1 매뉴얼이 제시하는 세 가지 방법

LAMMPS 매뉴얼은 박스와 원자를 만드는 방법으로 다음 세 가지를 제시합니다.

세 방법 중 두 가지 이상을 한 입력에서 섞어 쓸 수도 있습니다. 예컨대 금속 슬랩은 격자에서 만들고, 그 위에 흡착할 분자는 데이터 파일에서 읽는 식입니다.

4.2 격자에서 만들기

가장 간단한 방법은 lattice 명령으로 결정 격자를 정의한 뒤 그 위에 원자를 채우는 것입니다.

units           lj
atom_style      atomic

lattice         fcc 0.8442
region          box block 0 10 0 10 0 10
create_box      1 box
create_atoms    1 box

mass            1 1.0

각 줄의 의미:

• lattice fcc 0.8442 — fcc 격자, 환원 밀도 0.8442 (LJ 단위계)
• region box block 0 10 0 10 0 10 — box 라는 이름의 직육면체 영역, 격자 단위로 각 축 0~10
• create_box 1 box — 위 region 안에 원자 타입 1개를 위한 박스 생성
• create_atoms 1 box — 타입 1 원자로 채우기

격자 종류는 fcc, bcc, hcp, sc(단순입방), diamond, custom 등이 있습니다. region 은 block(직육면체) 외에 sphere, cylinder, prism (비직교 박스용) 등을 지원합니다.

격자 상수 단위

units real 또는 units metal 에서는 격자 상수를 Å 단위로 직접 줍니다.

units           metal
atom_style      atomic

lattice         fcc 3.615        # Cu 격자 상수 (Å)
region          slab block 0 8 0 8 0 6
create_box      1 slab
create_atoms    1 slab

mass            1 63.546

units lj 에서는 격자 상수 자리에 "환원 밀도"가 들어가는 점이 다릅니다.

4.3 데이터 파일에서 읽기

분자 시스템처럼 토폴로지(결합, 각도, 다이히드럴)가 복잡하면 외부 도구로 데이터 파일을 만든 뒤 read_data 로 읽어들이는 것이 훨씬 편합니다.

units           real
atom_style      full

read_data       system.data

데이터 파일은 텍스트이며, 다음과 같은 헤더와 섹션으로 구성됩니다.

LAMMPS data file from custom tool

   1234 atoms
    800 bonds
    600 angles
    400 dihedrals

      5 atom types
      4 bond types
      3 angle types
      2 dihedral types

   0.0  30.0  xlo xhi
   0.0  30.0  ylo yhi
   0.0  41.895 zlo zhi

Masses

1   12.011
2    1.008
...

Atoms       # full

1   1  1   -0.18   0.000   0.000   3.000
2   1  2    0.06   0.500   0.000   3.000
...

Bonds

1   1   1   2
...

• 헤더에는 박스 크기, 원자/결합/각도/다이히드럴 개수와 종류 수가 들어갑니다.
• Atoms 섹션의 형식은 atom_style 에 따라 달라집니다. full 의 경우 atom-ID molecule-ID type charge x y z 순서입니다.
• 토폴로지를 쓴다면 Bonds, Angles, Dihedrals, Impropers 섹션도 차례대로.

데이터 파일을 직접 손으로 작성하는 일은 드물고, 보통은 다음 도구로 생성합니다.

• VMD + TopoTools (가장 흔함)
• OpenBabel / Avogadro
• moltemplate (지정한 분자 템플릿을 LAMMPS 입력으로 변환)
• MDAnalysis / ASE 등 Python 라이브러리

4.4 경계 조건과 박스 모양

boundary 명령은 세 축의 경계 조건을 정합니다.

boundary        p p p     # 3D 주기적 (기본)
boundary        p p f     # x, y는 주기적; z는 고정 (슬랩에 흔함)
boundary        f f f     # 클러스터 (모든 면 비주기)

• p — 주기적(periodic)
• f — 고정(fixed). 원자가 이 면을 넘으면 사라집니다("lost atom" 오류).
• s — 축소형(shrink-wrapped). 박스가 원자를 따라 줄어듭니다.
• m — minimum shrink-wrapped. s + 최소 박스 크기 보장.

슬랩 시뮬레이션(표면 위 흡착, 박막 등)에서는 보통 p p f 또는 p p m 조합을 사용합니다. 이 경우 장범위 정전기에는 슬랩 보정 (kspace_modify slab)이 함께 필요할 수 있습니다.

박스 자체가 비직교(triclinic)라면 lattice 명령 옵션이나 region prism 또는 read_data 헤더의 xy xz yz 항목으로 기울임을 정의합니다.

4.5 시스템 만들기의 흔한 패턴 세 가지

패턴 A: 단순 액체

units           lj
atom_style      atomic
lattice         fcc 0.8442
region          box block 0 10 0 10 0 10
create_box      1 box
create_atoms    1 box
mass            1 1.0

패턴 B: 결정 슬랩 + 진공

units           metal
atom_style      atomic
boundary        p p f

lattice         fcc 3.615
region          slab block 0 8 0 8 0 6
create_box      1 slab
create_atoms    1 slab
mass            1 63.546

# 위쪽에 진공 영역 추가 (change_box)
change_box      all z final 0.0 60.0

패턴 C: 분자 시스템

units           real
atom_style      full

read_data       system.data
include         ff_opls.in   # 힘장 정의는 별도 파일에

응용 단계로 가면 패턴 B와 패턴 C를 결합해 "결정 슬랩 + 그 위에 분자 시스템"을 구성하게 되는데, 이는 Cu 응용 시리즈에서 자세히 다룹니다.

4.6 다음 단계

박스와 원자가 만들어졌다면, 이제 그 원자들이 서로 어떻게 상호작용할지 정의할 차례입니다. 다음 장에서는 LAMMPS의 상호작용 모델 (pair_style, bonded styles, kspace_style)을 개관합니다.