研究揭示了水模拟中长期接受的近似法的缺陷

美国能源部橡树岭国家实验室的计算科学家在《化学理论与计算杂志》上发表了一项研究，该研究对模拟水分子动力学中长期以来被接受的因素提出了质疑：2 飞秒(万亿分之一秒)时间步。飞秒是科学家用来测量原子和分子超快过程的时间尺度。

根据该团队的研究结果，在使用刚体描述模拟水时，使用大于 0.5 飞秒的时间步长(计算机模拟分析的时间间隔)可能会在动力学和热力学中引入误差。

由于水是生物分子模拟(从蛋白质整体到核酸)中最普遍的组成部分，该团队建议采用 0.5 飞秒时间步长以获得更高的精度，这可能会在科学界引起一些波澜。近 50 年来，2 飞秒时间步长已被接受为水模拟的标准。

“这具有广泛的意义，因为水是细胞生物学中的活性成分。水是生命的基质，我们对生物系统所做的所有模拟总是在水中。但是，如果你模拟这种流体的方式打破了平衡统计力学的基本原理，这是一个问题，”合著者 Dilip Asthagiri 说，他是 ORNL 生命科学与工程高级计算小组的高级计算生物医学科学家。

分子模拟求解牛顿运动方程，以阐明分子如何随时间演化。进行此类计算的研究人员特别感兴趣的是确定最终的系统温度。

统计力学的原则之一是，如果系统处于平衡状态，则与其平移运动(沿直线运动)和旋转运动相关的温度应该相同。如果这两个温度不同，则模拟不处于平衡状态。根据该团队的研究结果，这是使用超过 0.5 飞秒的时间步长来模拟水的本质问题。

在模拟中使用 2 飞秒时间步长源于 1977 年发表的一篇论文，当时计算时间的计算成本要高得多。由于氧和氢之间的柔性键振动迅速，因此精确计算振动所需的时间步长非常小，需要更多的计算时间来捕获足够的间隔进行研究。因为该运动是最快的，所以该时间步长是进化中必须使用的时间步长以获得正确的答案。

该论文的作者想知道是否有一种方法可以使用更长的时间步长并允许更少的间隔和更长的模拟。这些研究人员提出了水的刚体描述来做到这一点。

“1977 年的工作基本上表明，氧-氢键的振动可以与平移和旋转解耦，因此通过将水视为刚体来冻结振动应该可以让人们迈出一大步，”Asthagiri 说。 “从那时起，刚性键合模型就成为了标准——科学家们看待这个问题的规范方式。”

但阿斯哈吉里发现，使用这种方法可能会导致水分子的平移运动和旋转运动之间的温度差异，这意味着模拟可能会产生不正确的结果。

“迪利普发现，如果时间步长太长，你往往会得到不准确的热力学和水运动动力学的值，而水是所有这些分子运动的介质。实际上，你可以由于时间步长的近似值，会出现错误的摩擦力，要么太大，要么太小，如果摩擦力消失，那就意味着这些分子的运动也会消失。”作者 Tom Beck，ORNL 国家计算科学中心科学参与部门负责人。

2021 年，Asthagiri 在莱斯大学担任研究教授时首次注意到这种温度差异。他和一名研究生正在模拟过冷状态下的水，发现日志文件中的平均温度低于设定温度。

“这是 1 开尔文的差异，你可以很容易地忽略它，但它是在不同的温度下系统地观察到的。这就是有问题的线索——好吧，也许是一个温度，但多个温度具有相同的行为?肯定出了什么问题，”阿斯塔吉里说。

2022 年加入 ORNL 后，Asthagiri 开始分别检查旋转和平移，而不是使用位点坐标和速度，这是生物分子模拟代码产生的标准量。顺便说一句，分别制定这些运动方程是1971 年第一篇模拟水论文的作者所使用的方法。这些作者建议使用 0.4 飞秒的时间步长。

“我们需要小心地回到最初的工作。计算位点速度没有任何问题，但如果你将其作为位点速度，那么你需要采取足够小的时间步长，以便平移之间的温度平均而言，轮换是相同的，”Asthagiri 说。

如果计算科学家选择这样做，他们可以轻松地更改为 0.5 飞秒时间步长，尽管由于计算时间较长，这也会导致模拟时间缩短。

“这只是输入脚本中的一个标志——2 到 0.5。这是一个非常简单的切换，但现在的问题是你必须使用更多的计算时间，仅此而已。但计算能力现在可用，”Asthagiri 说。

Asthagiri 向特柳赖德科学与创新中心和在线统计热力学与分子模拟研讨会系列的同事介绍了该研究结果。

“当我向在线统计热力学研讨会系列展示这项工作时，第一反应是有点震惊。这需要时间来理解，”Asthagiri 说。