[论文解读] Molecular Dynamics Simulations of Active Matter using LAMMPS

C. S. Dias|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2021

Gas Dynamics and Kinetic Theory被引用 5

一句话总结

本文提供了一本关于使用 LAMMPS 模拟活性物质的实战指南，重点介绍通过自定义修正（fix）实现活性布朗粒子（ABPs）的方法。它详细阐述了朗之万动力学的集成、基于 Verlet 列表的力计算，以及通过新增的 'langevin/active' 修正扩展 LAMMPS 的方法，该修正基于粒子取向添加持续的自推进力，其有效性通过在模拟中恢复球形至扩散态转变及有效扩散系数得到验证。

ABSTRACT

LAMMPS is a widely popular classical Molecular Dynamics package. It was designed for materials modeling but it is well prepared for simulations in Soft Matter. The use packages like LAMMPS has advantages and disadvantages. The main advantage is the optimization of the methods, mainly for parallel computing. The main disadvantage is that, due to the complexity of the code, it ha long learning curve. One purpose of these notes is to shorten that curve for researchers are starting to use LAMMPS to simulate soft active matter. In these notes, we first discuss some Molecular Dynamics methods implemented in LAMMPS. We present an hands-on introduction to first-time users and we finish with an advanced hands-on section, where we implement and test Active Brownian particles simulations.

研究动机与目标

• 降低研究人员在软活性物质模拟背景下使用 LAMMPS 的学习门槛。
• 在 LAMMPS 框架内提供活性布朗粒子动力学的实用、分步实现方法。
• 展示如何正确利用 LAMMPS 的模块化架构，通过自定义力模型扩展模拟能力。
• 通过物理基准测试验证实现效果，包括终端速度和均方位移（MSD）。

提出的方法

• 采用速度 Verlet 积分法，通过半步长速度更新以最小化内存使用并提高并行效率。
• 使用带有 'skin' 距离的 Verlet 列表，以优化邻居列表更新并减少冗余力计算。
• 在 LAMMPS 中通过 'langevin' 修正结合自定义的 'langevin/active' 修正，实现朗之万动力学的适应性扩展，增加主动力分量。
• 通过基于四元数的粒子形状数据，扩展 LAMMPS 的 'fix' 系统，以实现与取向相关的自推进力。
• 通过四元数和 'angmom' 选项将自推进力与粒子取向关联，从而整合旋转扩散与平动动力学。
• 通过使用约化单位、零温下的终端速度测量以及均方位移（MSD）分析对实现方法进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效利用 LAMMPS 模拟具有自推进粒子的活性物质系统？
• RQ2 使用自定义修正和基于四元数的粒子取向，正确实现 LAMMPS 中主动力的正确方法是什么？
• RQ3 在零温下，活性粒子的终端速度如何随外力变化而变化？
• RQ4 活性布朗粒子的均方位移的时间依赖行为如何？是否存在球形至扩散态的过渡？
• RQ5 能否通过包含平动和转动扩散的理论表达式恢复活性粒子的有效扩散系数？

主要发现

• 在零温下，活性粒子的终端速度与外力呈线性关系，符合理论预测 $ v = \frac{\tau_t}{m}F $。
• 均方位移（MSD）曲线在短时间呈现明显的球形行为，长时间则呈现扩散行为，证实了活性粒子的动力学特性。
• 有效扩散系数 $ D_{\text{eff}} = D_t + \frac{1}{6}\frac{v^2}{D_r} $ 在模拟中成功恢复，验证了理论模型。
• 旋转扩散系数 $ D_r $ 与平动系数 $ D_t $ 之间的关系为 $ \frac{D_t}{D_r} = \alpha \frac{I}{m} $，其中 $ \alpha = \frac{\tau_t}{\tau_r} $，与已知的流体动力学关系一致。
• 自定义的 'langevin/active' 修正成功集成到 LAMMPS 现有框架中，实现了对具有持续自推进力的活性椭球体的稳定、精确模拟。
• 该实现通过在小系统上进行系统性测试后，成功扩展至大规模并行模拟。