[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出一种并发多尺度方法，将格子Boltzmann（LB）方法用于介观溶剂流体动力学，与约束分子动力学（MD）方法结合，用于长链生物大分子的模拟，实现了纳米生物流体的高效模拟。该方法通过局部显式相互作用捕捉流体动力学相关性，准确再现了穿膜传输的标度律，并揭示了计算成本与溶质尺寸和溶剂体积呈线性增长的协同动力学行为。

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.

研究动机与目标

• 开发一种高效、并发的多尺度方法，用于模拟具有原子尺度与介观尺度耦合动力学的纳米生物系统。
• 解决在不依赖非局部近似的情况下模拟生物大分子通过纳米孔穿膜过程中的流体动力学相互作用的挑战。
• 通过确保计算成本与分子尺寸和溶剂体积呈线性关系，实现对长生物分子的大规模模拟。
• 提供一种框架，通过溶剂与溶质之间局部、时空耦合的相互作用，显式包含流体动力学相关性。
• 在生物大分子穿膜这一基准问题上验证该方法，准确再现已知的统计标度行为。

提出的方法

• 该方法以非迭代、并发方式将格子Boltzmann（LB）方法用于介观流体动力学，与长链生物大分子的约束分子动力学（MD）方法耦合。
• 通过将LB分布函数在聚合物粒子上的局部插值计算流体动力学力，并通过动量交换将力反馈至LB格点。
• 耦合采用时间子循环策略，MD步长频率高于LB步长，确保时间一致性。
• 该方案通过直接建模溶剂-聚合物相互作用的离散格点动力学，避免使用非局部流体动力学表示（如Oseen张量）。
• LB求解器在离散格点上运行，演化单粒子分布函数，其在连续极限下可恢复类似Navier-Stokes的行为。
• 该方法设计具有高度可并行性，充分利用了LB算法的固有局域性与高效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 LB与MD的并发、非迭代耦合能否准确再现生物大分子通过纳米孔穿膜的统计标度行为？
• RQ2 流体动力学相互作用如何影响聚合物与溶剂在穿膜过程中的协同动力学？
• RQ3 LB-MD耦合的计算复杂度与聚合物长度和溶剂体积的关系如何？
• RQ4 该方法能否在不使用非局部近似的情况下捕捉到协同性、流体动力学增强的穿膜过程？
• RQ5 该方法在原子尺度与介观尺度之间交换动量与能量时，其物理一致性在多大程度上得以保持？

主要发现

• 该方法准确再现了生物大分子穿膜的已知统计标度指数，验证了其物理保真度。
• 结果表明，流体动力学相互作用显著提升了穿膜速度，表明溶剂起到了协同作用环境。
• 穿膜坐标 $ S_E(t) $ 的分布显示存在微小负尾部，表明存在少数粒子逆电场运动的罕见事件，揭示了复杂的动力学行为。
• 在溶剂体积恒定下，计算成本与聚合物粒子数呈线性关系，执行时间分别为50、100和400个粒子时每步0.433、0.489和0.882秒。
• 对于持续30,000步LB步长的500粒子穿膜事件，总模拟成本约为6小时，与实际运行时间（约7小时）高度吻合。
• 该方法使长生物分子（N > 1000）的模拟在适度计算成本下成为可能，为未来实现具有化学特异性的聚合物模拟铺平了道路。