[논문 리뷰] Atomistic simulations of amorphous polymers in the cloud with PolymerModeler

Benjamin P Haley, Chunyu Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 12.

Material Dynamics and Properties참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 nanoHUB.org에서 이용 가능한 무료이고 클라우드 기반의 웹 도구인 PolymerModeler를 제시한다. 이 도구를 통해 사용자는 LAMMPS를 사용하여 유리전이온도(Tg) 예측을 포함한 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 수행할 수 있는 비정질 폴리머의 원자구조 모델을 구축할 수 있다. 이 도구는 연속적 구성편향 몽테카를로 방법을 사용하여 특정 단량체 서열과 비틀림 통계를 가진 현실적인 폴리머 사슬을 생성하며, PMMA의 유리전이온도를 420 K로 정확히 예측하여 실험 범위 내에 들어가 있으며, 실험 및 상용 소프트웨어와의 강한 일치를 보여준다.

ABSTRACT

Molecular dynamics (MD) simulations enable the description of ma- terial properties and processes with atomistic detail by numerically solv- ing the time evolution of every atom in the system. We introduce Poly- merModeler, a general-purpose, online simulation tool to build atomistic structures of amorphous polymers and perform MD simulations on the re- sulting configurations to predict their thermo-mechanical properties. Poly- merModeler is available, free of charge, at nanoHUB.org via an interactive web interface, and the actual simulations are performed in the cloud us- ing nanoHUB.org resources. Starting from the specification of one or more monomers PolymerModeler builds the polymer chains into a simulation cell with periodic boundary conditions at the desired density. Monomers are added sequentially using the continuous configuration bias direct Monte Carlo method, and copolymers can be created describing the desired se- quence of monomers. PolymerModeler also enables users to perform MD simulations on the structures created by the builder using the Dreiding force field and Gasteiger partial atomic charges. We describe the force field im- plementation and the various options for the MD simulations that use the LAMMPS simulator. PolymerModeler MD simulations for a PMMA sam- ple show good structural agreement with experiments and are in good agree- ment with simulations obtained with commercial software.

연구 동기 및 목표

• 로컬 소프트웨어 설치 없이도 접근하기 쉬운 사용자 友好的 플랫폼을 개발하여 비정질 폴리머를 구축하고 시뮬레이션할 수 있도록 한다.
• 결정성 또는 융해-냉각 시스템에 비해 비정질 열가소성 폴리머의 정확한 初기 구조 설정 문제를 해결한다.
• nanoHUB를 통한 고성능 계산 자원을 활용하여 무료이고 확장 가능하며 상호작용 가능한 시뮬레이션 환경을 제공한다.
• 클라우드 기반 인프라에서 MD 시뮬레이션을 통해 유리전이온도(Tg)와 같은 주요 폴리머 성질을 예측할 수 있도록 한다.
• 구조 구축, 안정화, 시뮬레이션을 하나의 웹 액세스 가능한 워크플로우로 통합하여 교육용 및 고급 연구용으로 지원한다.

제안 방법

• 비정질 폴리머 빌더는 특정 비틀림 위치 에너지와 통계 분포를 가진 사슬에 단량체를 순차적으로 추가하는 연속적 구성편향 직접 몽테카를로 방법을 사용한다.
• 사용자는 단량체 유형, 사슬 길이, 사슬 수, 서열 패턴(스테레오정규성 포함)을 정의하여 목표 밀도에서 폴리머 시스템을 생성한다.
• 주기적 시뮬레이션 세포를 구성하며, 시스템 크기와 밀도에 대한 완전한 제어를 제공하며, 회전각 확률을 사용하여 사슬의 구조적 통계를 모델링한다.
• 구조 생성 후, Dreiding 힘장과 Gasteiger 부분 전하를 사용하여 LAMMPS 시뮬레이터로 MD 시뮬레이션을 실행할 수 있다.
• 모든 시뮬레이션은 nanoHUB를 통해 HPC 자원을 활용하여 클라우드에서 수행되며, NPT 상자, Nosé-Hoover 열역학장치 및 압력장치, Tg 결정을 위한 냉각 프로토콜을 지원한다.
• 모든 시뮬레이션 설정, 실행, 시각화가 표준 웹 브라우저를 통해 가능하며, 세션 간 상태 유지 기능이 제공된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 클라우드 기반의 웹 액세스 가능한 도구가 현실적인 사슬 통계와 밀도를 가진 비정질 폴리머의 원자구조 구성표를 정확하게 생성할 수 있는가?
• RQ2 PolymerModeler로 생성한 시스템의 구조적 성질이 상용 소프트웨어 및 실험 데이터와 얼마나 유사한가?
• RQ3 PolymerModeler는 실험 값과 기존 시뮬레이션 방법 수준의 정확도로 PMMA의 유리전이온도(Tg)를 예측할 수 있는가?
• RQ4 무료이고 개방형 액세스가 가능한 도구가 연구 및 교육 현장에서 상용 폴리머 시뮬레이션 소프트웨어를 얼마나 대체할 수 있는가?
• RQ5 로컬 소프트웨어 의존 없이도 하나의 상호작용 가능한 웹 인터페이스에서 구조 구축과 MD 시뮬레이션을 통합하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• PolymerModeler 빌더는 사슬의 구조적 통계 및 반경분포함수를 포함한 정확한 통계적 성질을 가진 비정질 폴리머 구조를 성공적으로 생성하였으며, 상용 도구 및 실험 데이터와 일치한다.
• PolymerModeler를 사용해 계산한 PMMA 배경 탄소 원자의 반경분포함수는 실험 및 시뮬레이션 기준과 양호한 일치를 보였다.
• PolymerModeler로 생성한 폴리에틸렌 시스템의 평균 제곱 내부 거리가 비정질 사슬의 기대 행동과 일치함을 확인하였다.
• 0.1 K/ps 냉각 프로토콜 동안 PMMA의 유리전이온도(Tg)는 420 K로 예측되었으며, 실험값 385–388 K와 밀접한 일치를 보였다. 이는 Tg의 냉각 속도 의존성에 기인한다.
• 예측된 Tg는 기존 추세와 일치한다: 더 빠른 냉각 속도는 더 높은 Tg를 유도하며, 속도가 10배 증가할 때 약 3 K의 이동이 관찰되었다.
• 54,080개 원자를 포함한 대규모 MD 시뮬레이션을 포함한 모든 시뮬레이션은 약 70시간 동안 24개 코어를 사용하여 클라우드에서 안정적으로 수행되었으며, 플랫폼의 확장성과 사용성은 입증되었다.