[論文レビュー] Coupling Lattice Boltzmann with Atomistic Dynamics for the multiscale simulation of nano-biological flows

Maria Fyta, Simone Melchionna+2 more|ArXiv.org|Oct 5, 2007

Lattice Boltzmann Simulation Studies参考文献 24被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、長大なバイオポリマーのための制約付き分子動力学（MD）とメゾスコピックな溶媒動力学のための格子ボルツマン法（LB）を併用する同時マルチスケール手法を提示する。この手法により、ナノバイオロジカルフローの効率的シミュレーションが可能となり、局所的で明示的な相互作用を通じて流体力学的相関を捉え、溶質サイズと溶媒体積に比例して計算コストが線形に増加する。

ABSTRACT

We describe a recent multiscale approach based on the concurrent coupling of constrained molecular dynamics for long biomolecules with a mesoscopic lattice Boltzmann treatment of solvent hydrodynamics. The multiscale approach is based on a simple scheme of exchange of space-time information between the atomistic and mesoscopic scales and is capable of describing self-consistent hydrodynamic effects on molecular motion at a computational cost which scales linearly with both solute size and solvent volume. For an application of our multiscale method, we consider the much studied problem of biopolymer translocation through nanopores: we find that the method reproduces with remarkable accuracy the statistical scaling behavior of the translocation process and provides valuable insight into the cooperative aspects of biopolymer and hydrodynamic motion.

研究の動機と目的

• 原子的スケールとメゾスコピックスケールのダイナミクスを併用する、効率的で同時的なマルチスケール手法の開発。
• 非局所近似に依存せずに、ナノポーラを通過するバイオポリマーの流体力学的相互作用をシミュレートする課題への対処。
• 分子サイズと溶媒体積に比例して計算コストが線形に増加するように設計することで、長大なバイオ分子の大型スケールシミュレーションを可能にする。
• 溶媒と溶質の間の局所的で時空間的に結合された相互作用を通じて、流体力学的相関を明示的に含むフレームワークの提供。
• バイオポリマーのナノポーラ通過というベンチマーク問題を用いて、既知の統計的スケーリング行動を再現することで、手法の妥当性を検証。

提案手法

• 本手法は、格子ボルツマン法（LB）を用いたメゾスコピックな流体動力学と、長大バイオポリマーのための制約付き分子動力学（MD）を、反復を伴わず同時に結合する。
• 流体力学的力は、LB分布関数をポリマーのビーズに局所的に補間することで計算され、力は運動量交換を通じてLB格子にフィードバックされる。
• 時間的な整合性を保つために、MDステップをLBステップよりも高い周波数で実行するサブサイクリングを用いる。
• 非局所な流体力学的表現（例：オーセンテンソル）を避けるために、離散的格子ダイナミクスを介して溶媒-ポリマー相互作用を直接モデル化する。
• LBソルバは離散的格子上で動作し、単粒子分布関数を時間発展させ、連続体極限においてナビエ-ストークス方程式に類似した挙動を回復する。
• 本手法は、LBアルゴリズムの固有の局所性と効率性を活かして、並列処理に強く適合するように設計されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LBとMDを反復を伴わず同時的に結合することで、ナノポーラ通過におけるバイオポリマーの統計的スケーリング行動を正確に再現できるか？
• RQ2 流体力学的相互作用は、通過中におけるポリマーと溶媒の協同的ダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ3 ポリマー長さと溶媒体積に対して、LB-MD結合の計算スケーリングはどのように変化するか？
• RQ4 非局所近似を用いずに、協同的で流体力学的に強化された通過プロセスの出現を本手法が捉えられるか？
• RQ5 原子的スケールとメゾスコピックスケール間での運動量およびエネルギーの交換において、物理的整合性がどの程度保持されるか？

主な発見

• 本手法は、バイオポリマーのナノポーラ通過における既知の統計的スケーリング指数を正確に再現しており、物理的妥当性が裏付けられている。
• 流体力学的相互作用が通過速度を顕著に向上させることを示しており、溶媒が協同的環境として機能していることが示唆される。
• 通過座標 $ S_E(t) $ の分布にはわずかな負の尾部が見られ、電場とは逆方向にビーズが移動する稀な事象が示され、複雑なダイナミクスが明らかになった。
• 溶媒体積を一定に保った状態で、ポリマーのビーズ数に比例して計算コストが線形に増加し、50、100、400ビーズの場合のステップあたり実行時間はそれぞれ0.433、0.489、0.882秒であった。
• 500ビーズの通過イベント（LBステップ数30,000）において、合計シミュレーションコストは約6時間であり、観測された実行時間（約7時間）とよく一致していた。
• 本手法により、計算コストを抑えつつ長大なバイオ分子（N > 1000）のシミュレーションが可能となり、今後の化学的に特異なポリマーを用いたシミュレーションへの道が開かれた。