構造緩和 (Relaxation)

Relaxation

FBTK には、Rust で実装された UFF (Universal Force Field) ベースの構造緩和エンジンが組み込まれています。

ランダム配置直後の原子の「重なり（Clash）」は MD 計算における最大の敵です。構造緩和は、ポテンシャルエネルギーを最小化することで、MD が安定して開始できる構造を提供します。内部では FIRE (Fast Inertial Relaxation Engine) アルゴリズムを採用しており、急峻な勾配に対しても高速に収束します。

FBTK では、ユニットセル全体 (System) と 分子単体 (Molecule) の両方に対して relax() メソッドを呼び出すことができます。

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ユニットセルの緩和 (System Relaxation)

builder.build() で作成したユニットセル全体の重なりを解消します。これが最も一般的な使い方です。

# ユニットセルの構築
system = builder.build()

# 構築後の全体緩和 (verbose=True がデフォルト)
system.relax(steps=1000)

仕様と留意事項

• 計算セルの固定: 緩和中にセルのサイズや形状は変化しません。
• 周期境界条件 (PBC): 常に PBC が有効な状態で最適化が行われます。
• Unwrapping: 終了後、分子がセルをまたいでバラバラにならないよう、自動的に unwrap 処理が行われます。

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分子の整形 (Molecule Beautify)

外部ファイルから読み込んだ分子テンプレートなど、幾何構造が不自然な場合に単体で最適化を行います。

# ファイルから読み込み（座標が未最適化の可能性がある）
mol = fbtk.Molecule.from_file("raw_structure.mol")

# システムに追加する前に、分子単体で構造を整える
mol.relax(steps=500)

# 整形済みの分子をビルダーに追加
builder.add_molecule(mol, count=100)

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relax() の共通引数

System.relax() と Molecule.relax() は共通の引数を持ちます。

引数	型	説明
steps	int	最大ステップ数 (デフォルト: 1000)。
threshold	float	収束判定しきい値 [kcal/mol/Å] (デフォルト: 1.0)。
verbose	bool	True で緩和ログを表示 (デフォルト: True)。
num_threads	int	使用スレッド数 (0: 自動設定)。
cutoff	float	非結合相互作用のカットオフ半径 [Å] (デフォルト: 6.0)。
history_size	int	収束判定に使用する履歴のステップ数 (デフォルト: 10)。

verbose=True 時の出力例

=============================== uff-relax v1.0.0 ===============================
Atoms:     900        | Bonds:     800
Cutoff:    6.0        | Threshold: 1.0000     kcal/mol/Å
Max Iter:  200        | Threads:   Auto
--------------------------------------------------------------------------------
       | Fmax           | FRMS           | Total E          |
Iter   | (kcal/mol/Å)   | (kcal/mol/Å)   | (kcal/mol)       | Status
--------------------------------------------------------------------------------
     0 |      1559.6175 |       283.7289 |      305566.6245 |
    10 |       556.1727 |        42.1182 |        8398.9682 |
    ...
   180 |         2.6285 |         0.3009 |        -227.7023 |
   187 |         1.9478 |         0.2722 |        -234.8426 | FRMS-Conv
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=== Optimization Finished ===
Reason: FRMS-Conv
Total Time: 1.451s     (Avg: 7.720ms / step)
Final Energy: -234.8426       kcal/mol
Final Fmax:   1.9478          kcal/mol/Å
Final FRMS:   0.2722          kcal/mol/Å
                                                       (c) 2026 Forblaze Project
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