APPLIED · CHAPTER 02

데이터 파일 구조

opls.data 와 trappe.data 의 구조와 차이, 원자 종류 매핑.

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NOTE 32-02-00 · 데이터 파일 구조

1. 일반 사항

A. 목적

  1. 이 노트는 read_data 가 읽는 두 데이터 파일 opls.data 와 trappe.data 의 구조와 차이를 다룬다.
  2. 데이터 파일에는 원자 위치, 결합 토폴로지, 부분 전하가 모두 들어 있다.

B. 적용 범위

  1. 두 파일은 같은 물리계를 나타낸다.
  2. 힘장마다 분자를 표현하는 방식이 달라서 원자 수와 토폴로지가 크게 다르다.

C. 결과 요약

  1. 원자 수는 opls.data 2471, trappe.data 1371 이다. 차이는 전부 수소 표현에서 나온다.
  2. opls.data 의 초기 좌표에는 1 Å 보다 가까운 분자 간 원자 쌍이 34개 있다.
  3. opls.data 의 에탄올 전하는 표준 OPLS-AA 값과 다르다.

2. 준비 정보

A. 필요한 개념

  1. LAMMPS 데이터 파일 형식(NOTE 31-04-00).
  2. atom_style full 의 원자 정보(NOTE 31-03-00).
  3. Cu 슬랩 계의 구성(NOTE 32-01-00).

B. 참조 자료

참조 제목
Jorgensen 외 (1996) W. L. Jorgensen, D. S. Maxwell, J. Tirado-Rives, "Development and Testing of the OPLS All-Atom Force Field on Conformational Energetics and Properties of Organic Liquids", J. Am. Chem. Soc. 118, 11225-11236 (1996). DOI: 10.1021/ja9621760
Chen 외 (2001) B. Chen, J. J. Potoff, J. I. Siepmann, "Monte Carlo Calculations for Alcohols and Their Mixtures with Alkanes. Transferable Potentials for Phase Equilibria. 5.", J. Phys. Chem. B 105, 3093-3104 (2001). DOI: 10.1021/jp003882x
LAMMPS atom_style LAMMPS 공식 문서, atom_style 명령어: https://docs.lammps.org/atom_style.html
LAMMPS read_data LAMMPS 공식 문서, read_data 명령어: https://docs.lammps.org/read_data.html
NOTE 32-01-00 시스템 개요
NOTE 32-05-00 5단계 프로토콜
NOTE 32-08-00 트러블슈팅

D. 관련 파일

항목 내용
opls.data OPLS-AA, all-atom, 2471 atoms
trappe.data TraPPE-UA, united-atom, 1371 atoms

3. 절차

A. 헤더 비교

  1. 각 데이터 파일의 헤더(전역 정보) 부분을 확인한다.
  2. opls.data (OPLS-AA, all-atom) 의 헤더는 다음과 같다.
LAMMPS data file from PDB (v7.2 - Angle Format Fix)

2471 atoms
2000 bonds
3100 angles
3600 dihedrals
600 impropers

12 atom types
10 bond types
15 angle types
16 dihedral types
1 improper types

0.000000 30.000000 xlo xhi
0.000000 30.000000 ylo yhi
0.000000 41.895000 zlo zhi
  1. trappe.data (TraPPE-UA, united-atom) 의 헤더는 다음과 같다.
LAMMPS data file for TraPPE-UA (converted from OPLS-AA)

1371 atoms
900 bonds
800 angles
700 dihedrals

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

0.000000 30.000000 xlo xhi
0.000000 30.000000 ylo yhi
0.000000 41.895000 zlo zhi

B. 원자 수 차이 확인

  1. 두 파일은 박스 크기가 같은데도 원자 수가 약 1.8배 차이 난다.
  2. united-atom (UA) 모형이 메틸기와 메틸렌기를 한 사이트로 묶기 때문이다.
  3. 벤젠(C₆H₆)의 사이트 구성을 비교한다.
표현 사이트 수 사이트 종류
OPLS-AA (all-atom) 12 사이트 6 × C + 6 × H
TraPPE-UA 6 사이트 6 × CH (C-H를 묶음)

참고 벤젠에는 보통 TraPPE-EH (explicit hydrogen) 버전을 쓴다. 이 시스템에서는 통일성을 위해 UA 6-site 모형(CH를 한 사이트로)으로 단순화했다. 이 경우 벤젠 평면성은 fix rigid/small 로 고리를 강체로 묶거나 강한 dihedral 항으로 부과한다.

주의 fix shake 는 한 원자를 중심으로 한 별 모양 클러스터(최대 4원자)만 묶을 수 있어서 고리에는 쓸 수 없다.

  1. 에탄올(CH₃-CH₂-OH)의 사이트 구성을 비교한다.
표현 사이트 수 사이트 종류
OPLS-AA (all-atom) 9 사이트 CH₃(C+3H) + CH₂(C+2H) + O + H
TraPPE-UA 4 사이트 CH₃ + CH₂ + O + H

참고 UA 표현에서는 메틸과 메틸렌의 수소를 따로 두지 않고 CH₃ 또는 CH₂ 사이트 하나에 포함시킨다 (Chen, Potoff, Siepmann 2001). 다만 수산기(-OH)의 H는 수소 결합을 만들기 때문에 명시적으로 남겨 둔다.

  1. 시스템별 분자 수를 확인한다.
항목 OPLS-AA TraPPE-UA
벤젠 분자 수 100 (× 12 = 1200) 100 (× 6 = 600)
에탄올 분자 수 100 (× 9 = 900) 100 (× 4 = 400)
Cu 원자 수 2471 - 2100 = 371 1371 - 1000 = 371
총합 2471 1371
  1. 두 파일은 분자 수와 Cu 슬랩이 같고, 원자 수 차이는 전부 수소 표현에서 나온다.

경고 Cu 슬랩은 fcc 가 아닌 bcc 쌓임이고, 주기 경계에서 원자가 겹친다. 상세 내용은 1장의 경고에 적었다.

경고 opls.data 의 초기 좌표에는 서로 다른 분자의 원자 쌍 34개가 1 Å 보다 가깝게 붙어 있다(가장 가까운 쌍 0.15 Å). 첫 스텝의 퍼텐셜 에너지가 약 $9 \times 10^{14}$ kcal/mol 로 나오므로, 5장의 소프트 완화 단계를 건너뛸 수 없다.

C. Atoms 섹션 컬럼 확인

  1. 두 파일 모두 atom_style full 형식임을 확인한다.
  2. 각 행의 컬럼은 다음과 같다 (LAMMPS atom_style 문서 참조).
atom-ID  molecule-ID  atom-type  q  x  y  z
  1. opls.data 헤더의 Masses 섹션에서 OPLS-AA의 12가지 원자 타입을 확인한다.
Masses

1 12.0110 # benzene_C
2 1.0080  # benzene_H
3 12.0110 # ethanol_C00
4 12.0110 # ethanol_C01
5 15.9990 # ethanol_O02
6 1.0080  # ethanol_H03
7 1.0080  # ethanol_H04
8 1.0080  # ethanol_H05
9 1.0080  # ethanol_H06
10 1.0080 # ethanol_H07
11 1.0080 # ethanol_H08
12 63.5460 # Cu

참고 타입 6-11은 모두 수소지만, OPLS-AA는 화학적 환경에 따라 부분 전하를 다르게 주므로 타입도 따로 나눠 두는 게 좋다 (Jorgensen 외 1996의 화학 단위별 전하 할당 관례).

  1. trappe.data 헤더의 Masses 섹션에서 TraPPE-UA의 6가지 원자 타입을 확인한다.
Masses

1 13.0190  # benzene CH (12.011 + 1.008)
2 15.0350  # ethanol CH3 (12.011 + 3 × 1.008)
3 14.0270  # ethanol CH2 (12.011 + 2 × 1.008)
4 15.9990  # ethanol O
5 1.0080   # ethanol H (수산기)
6 63.5460  # Cu

참고 UA 사이트의 질량은 묶인 원자들의 질량을 더한 값이다. 예를 들어 CH₂는 14.027 = 12.011 + 2 × 1.008 g/mol.

D. 부분 전하 확인 (Atoms 섹션의 q 열)

  1. trappe.data 의 Atoms 섹션(앞 몇 줄)에서 TraPPE-UA 에탄올의 부분 전하를 확인한다.
1 1 2 0.0000 2.903313 17.497132 21.087920   # CH3, q = 0
2 1 3 0.2650 2.948696 18.272399 19.631332   # CH2, q = +0.265
3 1 4 -0.7000 4.248000 17.888000 19.055000  # O,   q = -0.700
4 1 5 0.4350 4.959000 18.191999 19.643999   # H,   q = +0.435
  1. 벤젠 CH는 모두 중성 (q = 0) 이다.
  2. 에탄올의 전하 분포는 Chen, Potoff, Siepmann (2001) 의 OPLS-UA 유래 전하 분포를 따른다. CH₂ +0.265, O -0.700, H(수산기) +0.435 이다.

참고 이 전하 분포는 메탄올부터 옥탄올까지 1차/2차/3차 알코올 전체에 공통으로 쓰인다.

  1. OPLS-AA 에탄올의 부분 전하를 확인한다. OPLS-AA는 모든 원자를 명시하므로 전하도 여러 원자에 나뉜다 (Jorgensen 외 1996).

경고 opls.data 의 에탄올 전하는 표준 OPLS-AA 값과 다르다. 아래 표에 표준값과 opls.data 에 실제로 들어 있는 값을 나란히 적었다.

  1. 표준 OPLS-AA 에탄올 전하와 opls.data 의 값을 비교한다.
원자 OPLS atom type 표준 전하 (e) opls.data (e)
HO (수산기 H) 155 +0.418 +0.432
OH (수산기 O) 154 -0.683 -0.728
CH₂-OH의 C 157 +0.145 +0.128
CH₂-OH의 H (×2) 140 +0.060 +0.0592
CH₃의 C 135 -0.180 -0.128
CH₃의 H (×3) 140 +0.060 +0.0592
  1. 두 열 모두 합이 0 임을 확인한다.
    1. 표준값에서는 CH₃ 와 CH₂OH 가 각각 중성이다.
    2. opls.data 는 C 두 개에 ±0.128 을 주고 H 다섯 개에 같은 값을 줘서 분자 전체만 중성이다.
  2. 벤젠은 표준값(C -0.115, H +0.115) 그대로임을 확인한다.

경고 수산기 H 의 +0.435 는 OPLS-AA 가 아니라 OPLS-UA·TraPPE-UA 의 값이다. 섞어 쓰지 않는다.

4. 시험 및 검사

A. 데이터 파일 검증

  1. LAMMPS가 데이터 파일을 제대로 읽는지 다음 항목으로 점검한다.
  2. 전하 합을 검증한다: awk '{sum+=$4} END {print sum}' atoms_section.txt
    1. 결과가 0에 매우 가까워야 한다 (반올림 오차 ~ 1e-6).
  3. 원자 ID 연속성을 확인한다. ID가 1부터 N까지 연속해야 한다.
  4. 분자 ID 일관성을 확인한다. 같은 분자의 원자는 같은 molecule-ID를 공유해야 한다.
  5. 결합/각도 토폴로지 일치를 확인한다. 헤더의 개수가 분자 수와 맞아야 한다.
    1. OPLS-AA 는 결합이 벤젠 12개, 에탄올 8개라 100 × 12 + 100 × 8 = 2000 이다. 각도는 18 + 13 개라 3100, 이면각은 24 + 12 개라 3600 이다.
    2. TraPPE-UA 는 결합 6 + 3 개라 900, 각도 6 + 2 개라 800, 이면각 6 + 1 개라 700 이다.
  6. 박스 경계 내부를 확인한다. 모든 원자 좌표가 박스 한계 내에 있어야 한다.

참고 read_data 가 자동으로 검사하는 항목도 있지만, "Bond atoms missing" 오류를 피하려면 미리 확인해 두는 편이 낫다. 이 오류의 해결법은 트러블슈팅에 있다.