FBTK + OpenFF | LAMMPS での低分子純物質 MD (エタノール)

この事例では、OpenFF で計算した高品質な AM1-BCC 電荷 を保持したまま、エタノールの純物質システムを構築・実行するワークフローを解説します。

背景：なぜ FBTK + OpenFF なのか？

低分子のシミュレーションでは、分子の電子状態を考慮した精密な電荷割り当てが物性再現の鍵となります。OpenFF 標準の AM1-BCC は非常に優れた電荷割り当て手法ですが、OpenFF 単体ではバルク構造をパッキングする機能がありません。

FBTK を導入することで、以下のメリットが得られます。

精密電荷のポータビリティ: Molecule.from_openff() により、OpenFF で計算した AM1-BCC 電荷を FBTK の Molecule に封入し、そのままバルク構築へ利用できます。
自動化された力場割り当て: LAMMPS の複雑な hybrid スタイルや special_bonds 設定を、system.to_openff() が完全に自動化します。
堅牢な実行フロー: FBTK のパッキング構造を、LAMMPS 側での「EM後のSHAKE」という正しい順序で処理することで、極めて安定したシミュレーションが可能になります。

環境準備

# OpenFF 連携環境の有効化
conda activate fbtk_openff

Python スクリプト

import fbtk
from openff.toolkit import Molecule as OFFMolecule

# 1. OpenFF で電荷計算済みの分子を準備
# エタノールに対し、MO 計算に基づく AM1-BCC 電荷を割り当てます
off_ethanol = OFFMolecule.from_smiles("CCO")
off_ethanol.assign_partial_charges(partial_charge_method="am1bcc")
ethanol = fbtk.Molecule.from_openff(off_ethanol)

# 2. fbtk で純物質系の構築 (300分子)
builder = fbtk.Builder(density=0.789)
builder.add_molecule(ethanol, count=300)
system = builder.build()
system.relax()

# 3. OpenFF 出力 (最新 Sage 2.2.1 を適用)
interchange = system.to_openff(forcefield="openff-2.2.1.offxml")
interchange.to_lammps("ethanol_system.data")

MDシミュレーションの実行手順

OpenFF が出力するテンプレート（ethanol_system.data_pointenergy.in）を参考に、MD 用の入力ファイルを作成します。

テンプレートの書き換えポイント

ここでの最大のポイントは、minimize を fix shake よりも前に実行することです。これにより、FBTK の暫定構造が OpenFF の理想形状へストレスなく収束できます。

# --- ethanol_md.in の追記例 ---
# 1. まずエネルギー最小化 (SHAKEなし)
minimize 1.0e-4 1.0e-6 100 1000
reset_timestep 0

# 2. 正しい形になったところで拘束 (SHAKE) を適用
# OpenFF が自動生成した ID (今回の例では b 2 4) をそのままコピーします
fix 100 all shake 0.0001 20 0 b 2 4

# 3. MD開始
fix 1 all npt temp 300.0 300.0 100.0 iso 1.0 1.0 1000.0
run 5000

実行結果と検証

構築したエタノールシステムにおいて、最新 host OpenFF Sage 2.2.1 力場を用いて MD 計算を実行しました。

LAMMPS 実行ログ（抜粋）

   Step          Temp          Press         Density         PotEng        Enthalpy        Volume
         0   300           -3891.9437      0.78899431     797.56848      1023.5941      29087.215
      5000   300.2478      -93.424689      0.66144066     2186.061       4017.3535      34696.456

EM ステップでエネルギーが速やかに収束し、その後の MD も熱力学的に安定して推移していることが確認できました。

まとめ

純物質系であっても、最新の OpenFF 力場と FBTK の柔軟な構築能力を組み合わせるメリットは絶大です。特に、AM1-BCC 電荷を保持したまま一撃で最新の物理パラメータを適用できるワークフローは、低分子 MD のスタンダードとなる構成です。