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Authors: Heidari, Maziar
Title: Development and Application of Hamiltonian Adaptive Resolution Simulations for Systems having Long-range Interactions
Online publication date: 10-Sep-2019
Language: english
Abstract: Computer simulations have proven to be a powerful tool in soft matter research since they have helped to elucidate microscopic details of many phenomena observed in experiments that would otherwise have remained unclear. Therefore, the high demand for computer simulations on one hand, and the emergence of very fast computational units on the other hand, have led to development of a great variety of computational methods. These techniques have provided the possibility to investigate phenomena occurring within a wide range of length and time scales, from chemical reactions at the quantum scale to self-assembly at the macroscale. However, the computational costs of studying these phenomena in a single, highly detailed resolution are often too expensive. Hence, provided the locality of the phenomenon, it is advantageous to develop multi-resolution techniques. In these approaches, the system is divided into a high resolution subregion, described by an accurate but computationally expensive model, and a low resolution region, where the rest of the system is treated by means of a coarse but computationally efficient model. One of such multi-resolution techniques is the Hamiltonian Adaptive Resolution Simulations (H-AdResS) method. In this approach, the two resolutions are smoothly coupled through a transition layer in which compensating forces are applied on the molecules, and a constant chemical potential throughout the resolutions is enforced. In this work, we first explain the challenges of implementing long-ranged elec- trostatic interactions in H-AdResS. We then propose and validate the usage of a short-range modification of Coulomb potential, the Damped Shifted Force model, in the context of the H-AdResS scheme. We validate this approach by reproducing the structural and dynamical properties of liquid water. Next, we take advantage of the constant chemical potential inherent to H-AdResS to introduce a new and efficient method to compute the chemical potential of liquids and mixtures. The method has been named spatially resolved thermodynamic integration (SPARTIAN). Subsequently, we employ the same approach to compute the free energy of solids by coupling the real crystals with their corresponding ideal Einstein crystals. Afterwards, we use the Jarzynski equality to obtain the solvation free energy of molecules by using steered molecular dynamics to pull the molecule from the atomistic (solvated state) into the ideal gas (unsolvated state) region. Lastly, we discuss the spatial block analysis (SBA) method to efficiently extrapolate thermodynamic quantities such as bulk isothermal compressibility from finite-size computer simulations, and discuss different types of finite-size effects in the SBA context. This study is designed to target the problems involving sampling in grand canonical ensembles which is also crucial for the extension and development of the SPARTIAN method into a new grand canonical molecular dynamics framework.
Computersimulationen haben sich als leistungsfähiges Werkzeug zur Erforschung weicher Materie erwiesen, da sie geholfen haben zur Aufdeckung mikroskopischer Details vieler experimentell beobachteter Phänomene beizutragen, welche sonst unaufgeklärt geblieben wären. Demzufolge haben sowohl der hohe Bedarf an Computersimulationen, als auch die Entwicklung sehr schneller Computer zur Entwicklung einer groß en Vielfalt von Simulationsmethoden geführt. Diese Simulationstechniken haben die Möglichkeit geschaffen Phänomene zu untersuchen, welche auf einer groß en Bandbreite von Längen und Zeitskalen geschehen, angefangen bei chemischen Reaktionen auf der Quantenskala bis hin zur Selbstanordnung auf der Makroskala. Jedoch ist der Rechenaufwand, um diese Phänomene in einer einzigen hochdetaillierten Auflösung zu studieren oft zu groß. Daher ist es von Vorteil Simulationstechniken mit mehreren Auflösungen zu entwickeln, sofern die räumliche Abgegrenztheit des Phänomens gegeben ist. In diesen Methoden wird das System in einen hochaufgelösten Teilbereich, beschrieben durch ein genaues aber rechenaufwendiges Modell, und einen niedrigaufgelösten Teilbereich, beschrieben durch ein vergröbertes recheneffizientes Modell aufgeteilt, welcher den Rest des Systems beschreibt. Eine dieser Methoden mit mehreren Auflösungen ist die Methode der hamiltonisch adaptiv aufgelösten Simulationen (Hamiltonian Adaptive Resolution Simulations) (H-AdResS). In dieser Herangehensweise werden die beiden Teilbereiche verschiedener Auflösung glatt durch eine Übergangsschicht miteinander gekoppelt, in welcher Kompensationskräfte auf die Moleküle wirken. Dadurch wird ein durchgehend konstantes chemisches Potential erzwungen. In dieser Arbeit beschreiben wir als erstes die Herausforderungen, langreichweitige elektrostatische Wechselwirkungen in H-AdResS zu implementierchemen. Dann schlagen wir die Verwendung einer kurzreichweitigen Modifikation des Coulomb Potentials vor und validieren diese im Kontext des H-AdResS Schemas: das gedämpfte verschobene Kraft-Modell (Damped Shifted Force). Wir validieren diese Herangehensweise durch Reproduktion der strukturellen und dynamischen Eigenschaften von flüssigem Wasser. Als Nächstes benutzen wir das durchgehend konstante chemische Potential von H-AdResS, um eine neue und effiziente Methode einzufüren das chemische Potential von Flüssigkeiten und Mischungen zu berechnen. Diese Methode wurde räumlich aufgelöste thermodynamische Integration (spatially resolved thermodynamic integration) (SPARTIAN) genannt. Anschließ end wenden wir die gleiche Herangehensweise an, um die freie Energie von Festkörpern zu berechnen, in dem wir realistische Kristallmodelle mit den korrespondierenden idealen Einstein-Kristallen koppeln. Danach verwenden wir die Jarzynski-Gleichung, um die freie Lösungsenergie von Molekülen mittels Molekulardynamiksimulationen zu berechnen, in denen Moleküle gezielt vom atomistischen Teilbereich (gelöster Zustand) in den Teilbereich des idealen Gases (ungelöster Zustand) gezogen werden. Schließ lich diskutieren wir die räumlich aufgelöste Blockanalyse-Methode (spatial block analysis method) (SBA), um effizient thermodynamische Eigenschaften wie die isothermische Kompressibilität aus Computersimulationen von Systemen endlicher Größ e zu extrapolieren. Wir diskutieren verschiedene Arten von Effekten endlicher Systemgröß en im Zusammenhang der SBA-Methode. Dieser Teil der Arbeit ist daraufhin konzipiert, Sampling-Probleme groß kanonischer Ensembles anzugehen, was entscheidend ist für die Weiterentwicklung der SPARTIAN-Methode im Rahmen groß kanonischer Molekulardynamik-Simulationen.
DDC: 530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: Externe Einrichtungen
MaxPlanck GraduateCenter
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-3752
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: xiv, 161 Seiten
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