예제 · E4

Cu 벤젠-에탄올 흡착

Cu 표면 벤젠-에탄올 경쟁 흡착 응용 프로토콜의 입력 구성과 5단계 실행 흐름.

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NOTE 33-04-00 · Cu 벤젠-에탄올 흡착

1. 일반 사항

A. 목적

  1. 이 노트는 Cu 표면 위에서 벤젠과 에탄올이 표면을 두고 경쟁 흡착하는 계를 다룬다.
  2. OPLS-AA · TraPPE-UA 두 힘장과 PPPM · MSM 두 정전기 방법의 네 조합을 비교하는 응용 프로토콜이다.
  3. 이 노트는 입력 파일 구성과 다섯 단계 실행 흐름을 한자리에 모은다.

B. 적용 범위

  1. 입력 구성과 실행 순서만 다룬다.
  2. 단계마다 왜 필요한지는 응용 · 5. 5단계 프로토콜 에서 다룬다.
5단계 시뮬레이션 프로토콜의 온도 일정 타임라인
소프트 완화 → 최소화 → 단계적 가열(0.1 → 300 K) → 평형화 → production. 가로축 시간 폭은 비례 축척이 아니다.

C. 결과 요약

  1. include 로 모듈을 나눠 두었으므로 힘장 × 정전기 네 조합을 두 줄만 바꿔 비교할 수 있다.
  2. OPLS-AA 는 공개된 opls.data 로 바로 실행할 수 있다.
  3. TraPPE-UA 는 trappe.data 를 직접 만들어야 한다.

2. 준비 정보

A. 필요한 개념

  1. LAMMPS 기초(NOTE 31-01-00 ~ 31-08-00).
  2. Cu 응용 시리즈의 계 구성(NOTE 32-01-00)과 5단계 프로토콜(NOTE 32-05-00).
  3. 슬랩 기하에서의 장거리 정전기 처리(NOTE 32-04-00).

B. 참조 자료

참조 제목
응용 · 5. 5단계 프로토콜 단계별 이유
응용 · 6. 4가지 프레임워크 조합별 차이와 선택
응용 · 4. 정전기 방법 PPPM vs MSM, 슬랩 보정
응용 · 7. 분석 방법 RDF·밀도·SEI·계면 장력
응용 1장, 3장 opls.data 의 Cu 슬랩 구조와 에탄올 계수
E3 (Cu 슬랩) 올바른 fcc(100) 기판을 만드는 예제

C. 사용 프로그램

항목 용도
LAMMPS 22 Jul 2025 실행 확인 버전 (PPPM·MSM 모두 확인)
lmp_serial 직렬 실행
lmp_mpi + mpirun 병렬 실행 (40 코어 예시)
워크스테이션급 자원 production 단계 (10 ns 규모)

D. 관련 파일

항목 내용
opls.data OPLS-AA 조합의 데이터 파일. inputs/ 의 한 단계 위에 둔다.
trappe.data TraPPE-UA 조합의 데이터 파일. 공개돼 있지 않아 직접 만들어야 한다.
inputs/ 모듈식 입력 파일 묶음 (3.A 참조)

주의 실행 전제: 데이터 파일이 필요하다. OPLS-AA 조합은 opls.data 를 inputs/ 의 한 단계 위에 두면 그대로 돌아간다(LAMMPS 22 Jul 2025, PPPM·MSM 모두 확인). trappe.data 는 공개돼 있지 않아 TraPPE-UA 조합은 데이터 파일을 직접 만들어야 한다. production 단계는 10 ns 규모라 워크스테이션급 자원이 필요하다.

경고 opls.data 의 Cu 슬랩은 fcc(100) 이 아니고, 에탄올 각도·이면각 계수 일부가 OPLS-AA 표준과 다르다(응용 1장, 3장). 입력의 흐름을 익히는 용도로 쓰고, 결과를 물리량으로 보고하려면 데이터 파일부터 다시 만든다. E3 (Cu 슬랩) 이 올바른 fcc(100) 기판을 만드는 예제다.

3. 절차

A. 모듈식 입력 구성 확인

  1. inputs/ 디렉토리의 파일 구성을 확인한다. 힘장·정전기·단계가 분리된 모듈식 파일이다.
파일 용도
common.in 단위·atom_style·neighbor·comm 공통 설정
kspace_pppm.in PPPM 정전기 + lj/cut/coul/long (슬랩 보정 포함)
kspace_msm.in MSM 정전기 + lj/cut/coul/msm (MSM 은 coul/long 과 같이 쓸 수 없다)
ff_opls_aa.in OPLS-AA 결합/각도/이면각/pair 계수 (12 원자종)
ff_trappe_ua.in TraPPE-UA 결합/각도/pair 계수 (6 원자종)
01_soft.in … 05_prod.in 5단계 각 stage

B. 프레임워크 선택

  1. 각 stage 파일 상단의 include 두 줄로 힘장과 정전기 방법을 고른다.
  2. 다른 프레임워크로 전환하려면 두 줄만 교체한다.
# 예: OPLS-AA + PPPM (각 stage 파일 상단)
include kspace_pppm.in
include ff_opls_aa.in

# TraPPE-UA + MSM 으로 전환하려면 두 줄만 교체
include kspace_msm.in
include ff_trappe_ua.in

C. 다섯 단계 실행

주의 각 stage 는 직전 stage 의 stageN.restart 를 이어받으므로 순서대로 실행한다. 단계를 건너뛰면 계가 불안정해지기 쉽다(특히 소프트 완화·단계적 가열).

  1. 데이터 파일(opls.data 또는 trappe.data)이 준비됐는지 확인한다.
  2. 다섯 stage 를 순서대로 실행한다.
  3. production 단계는 필요하면 병렬로 실행한다.
# 데이터 파일(opls.data 또는 trappe.data)이 준비됐다는 전제하에
lmp_serial -in 01_soft.in     # 소프트 완화 (원자 중첩 해소)
lmp_serial -in 02_min.in      # 에너지 최소화
lmp_serial -in 03_heat.in     # 단계적 가열 0.1 → 300 K
lmp_serial -in 04_eq.in       # NVT 평형화
lmp_serial -in 05_prod.in     # 생성 동역학 + 분석

# 병렬 (40 코어 예시)
mpirun -np 40 lmp_mpi -in 05_prod.in

참고 fix freeze_cu cu setforce 0.0 0.0 0.0 로 Cu 슬랩을 고정한다. 상부에는 fix wall/lj93 zhi 벽을 두어 분자가 진공으로 빠져나가지 않게 한다.

4. 시험 및 검사

A. 분석 대상

  1. production 단계에서 다음 항목을 측정한다. 자세한 내용은 응용 · 7. 분석 방법 을 참고한다.
    1. 동경 분포 함수 g(r) (Cu-O, Cu-벤젠 C 등)
    2. z 방향 밀도 프로파일 (분자별 계면 분포)
    3. 분리 효율 지수 SEI (0 완전 혼합 ~ 1 완전 분리)
    4. 흡착 에너지, 그리고 Irving-Kirkwood 계면 장력

5. 종료

A. 결과 정리

  1. include 로 모듈을 나눠 둔 덕에 힘장 × 정전기 네 조합을 두 줄만 바꿔 비교할 수 있다.
  2. 단계를 건너뛰면 계가 불안정해지기 쉽다(특히 소프트 완화·단계적 가열).
  3. OPLS-AA 는 공개된 opls.data 로 바로 돌릴 수 있고, TraPPE-UA 는 trappe.data 를 직접 만들어야 한다.

B. 후속 작업

  1. 조합별 차이와 선택 기준은 응용 · 6. 4가지 프레임워크 에서 다룬다.
  2. 정전기 방법과 슬랩 보정은 응용 · 4. 정전기 방법 에서 다룬다.