데이터 파일 구조 · LAMMPS 가이드

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2.1 두 데이터 파일의 헤더 비교
- opls.data (OPLS-AA, all-atom)
- trappe.data (TraPPE-UA, united-atom)
2.2 원자 수가 다른 이유 — 화학적 해석
2.3 Atoms 섹션의 컬럼 구조
- OPLS-AA의 12가지 원자 타입
- TraPPE-UA의 6가지 원자 타입
2.4 부분 전하 (Atoms 섹션의 q 열)
- TraPPE-UA 에탄올의 부분 전하
- OPLS-AA 에탄올의 부분 전하
2.5 데이터 파일 검증 체크리스트
참고문헌

LAMMPS의 read_data 명령어가 읽어들이는 데이터 파일은 시스템의 원자 위치, 결합 토폴로지, 부분 전하를 모두 포함한다. 본 가이드의 두 데이터 파일 opls.data와 trappe.data는 동일한 물리계를 표현하지만, 힘장의 분자 표현 방식이 다르기 때문에 원자 수와 토폴로지가 크게 다르다.

2.1 두 데이터 파일의 헤더 비교

다음은 각 데이터 파일의 헤더 (전역 정보) 부분이다.

opls.data (OPLS-AA, all-atom)

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

trappe.data (TraPPE-UA, united-atom)

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

2.2 원자 수가 다른 이유 — 화학적 해석

두 데이터 파일은 박스 크기가 동일하나, 원자 수는 약 1.8배 차이가 난다. 이는 united-atom (UA) 모형이 메틸기와 메틸렌기를 단일 사이트로 흡수하기 때문이다.

벤젠 (C₆H₆)

표현	사이트 수	사이트 종류
OPLS-AA (all-atom)	12 사이트	6 × C + 6 × H
TraPPE-UA	6 사이트	6 × CH (C-H를 묶음)

벤젠은 TraPPE-EH (explicit hydrogen) 버전이 일반적으로 사용되지만, 본 시스템은 통일성을 위해 UA 6-site 모형 (CH를 단일 사이트로) 으로 단순화되어 있다. 이때 벤젠 평면성은 SHAKE 또는 rigid 알고리즘으로 유지하거나 강한 dihedral 항을 통해 부과한다.

에탄올 (CH₃-CH₂-OH)

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

UA 표현에서는 메틸과 메틸렌의 수소 원자가 명시적으로 다뤄지지 않으며, 하나의 CH₃ 또는 CH₂ 사이트로 흡수된다 (Chen, Potoff, Siepmann 2001). 다만 수산기 (-OH)의 H는 수소 결합을 형성하므로 명시적으로 유지된다.

시스템별 분자 수

항목	OPLS-AA	TraPPE-UA
벤젠 분자 수	33 (× 12 = 396)	100 (× 6 = 600)
에탄올 분자 수	33 (× 9 = 297)	100 (× 4 = 400)
Cu 원자 수	2471 - 693 = 1778	1371 - 1000 = 371
총합	2471	1371

OPLS-AA 시스템의 Cu 슬랩이 더 두꺼운 이유는 모든 H를 명시하기 위한 계산 비용 균형을 맞추기 위함으로 추측되며, 계면 비교 시 슬랩 두께 차이를 인지하고 분석해야 한다.

2.3 Atoms 섹션의 컬럼 구조

OPLS-AA, TraPPE-UA 모두 atom_style full 형식을 사용한다. 각 행은 다음과 같은 컬럼을 갖는다 (LAMMPS atom_style 문서 참조).

atom-ID  molecule-ID  atom-type  q  x  y  z

OPLS-AA의 12가지 원자 타입

opls.data 헤더의 Masses 섹션:

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

타입 6-11이 모두 수소이지만 OPLS-AA에서는 화학적 환경에 따라 다른 부분 전하를 부여하므로 별개의 타입으로 구분하는 것이 권장된다 (Jorgensen 외 1996의 화학 단위별 전하 할당 관례).

TraPPE-UA의 6가지 원자 타입

trappe.data 헤더의 Masses 섹션:

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

UA 사이트의 질량은 묶인 그룹 전체의 질량의 합이다. 예를 들어 CH₂는 14.027 = 12.011 + 2 × 1.008 g/mol.

2.4 부분 전하 (Atoms 섹션의 q 열)

TraPPE-UA 에탄올의 부분 전하

trappe.data의 Atoms 섹션 (앞 몇 줄):

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

벤젠 CH는 모두 중성 (q = 0). 에탄올의 전하 분포는 Chen, Potoff, Siepmann (2001) 의 OPLS-UA 유래 전하 분포를 따른다: CH₂ +0.265, O -0.700, H(수산기) +0.435. 이 전하 분포는 메탄올부터 옥탄올까지의 1차/2차/3차 알코올 전 시리즈에서 공통으로 사용된다.

OPLS-AA 에탄올의 부분 전하

OPLS-AA에서는 모든 원자가 명시적이므로 전하가 분산된다 (Jorgensen 외 1996, Table 4 참조). 대표적인 OPLS-AA 에탄올 전하:

원자	OPLS atom type (OPLS DB)	부분 전하 (e)
HO (수산기 H)	155	+0.435
OH (수산기 O)	154	-0.683
CH₂-OH의 C	157	+0.145
CH₂-OH의 H	140	+0.040
CH₃의 C	158	-0.180
CH₃의 H	140	+0.060

총 전하의 합은 0 (에탄올 분자는 중성). 이 값들은 OPLS-AA 공식 파라미터 (oplsaa.lt 또는 OPLS 데이터베이스)에서 확인 가능하며, 연구자에 따라 다소 변형된 값을 사용하기도 한다.

2.5 데이터 파일 검증 체크리스트

데이터 파일이 LAMMPS에 의해 올바르게 읽히는지 확인하기 위한 체크리스트:

전하 합 검증: awk '{sum+=$4} END {print sum}' atoms_section.txt 결과가 0에 매우 가까워야 한다 (반올림 오차 ~ 1e-6).
원자 ID 연속성: ID가 1부터 N까지 연속해야 한다.
분자 ID 일관성: 같은 분자의 원자는 같은 molecule-ID를 공유해야 한다.
결합/각도 토폴로지 일치: 결합 수 = (벤젠 분자 × 6) + (에탄올 분자 × 4) 등이 맞아야 한다.
박스 경계 내부: 모든 원자 좌표가 박스 한계 내에 있어야 한다.

LAMMPS에서 read_data 시 자동으로 검증되는 항목도 있지만, "Bond atoms missing" 오류를 회피하려면 사전 검증이 권장된다. 이 오류의 트러블슈팅은 트러블슈팅 문서를 참조.

참고문헌

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
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 공식 문서, atom_style 명령어: https://docs.lammps.org/atom_style.html
LAMMPS 공식 문서, read_data 명령어: https://docs.lammps.org/read_data.html

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