事例6：重合度分布と低密度構築（ポリエチレン）

高分子システム、特に長い鎖が絡み合う系を構築する際、最初から高密度でパッキングを行うと緩和が困難な場合があります。本事例では、低密度で構築し、後のMDプロセスで密度緩和を行う推奨ワークフローを解説します。

対象システム

ポリマー: ポリエチレン (PE)
構成: DP 30 ~ 70 の 10 本（重合度分布あり）
総原子数: 3,020
初期設定密度: 0.10 g/cm³（低密度スタート）

計算コード (run.py)

import fbtk

# 1. 重合度分布の定義
distribution = {30: 1, 40: 2, 50: 4, 60: 2, 70: 1}

# 2. Builderの初期化（低密度 0.10 を指定）
builder = fbtk.Builder(density=0.10)

# 3. ポリマーを追加
for dp, count in distribution.items():
    builder.add_polymer(
        name=f"PE_DP{dp}", smiles="*CC*", count=count, degree=dp
    )

# 4. システムの構築と緩和
system = builder.build()
print("Starting relaxation for Polyethylene...")
system.relax()

# 5. 結果の出力
system.to_file("pe_dist_cell.mol2")
print("Done.")

実行ログの確認

Atoms:     3020       | Bonds:     3010
--------------------------------------------------------------------------------
       | Fmax           | FRMS           | Total E          |
Iter   | (kcal/mol/Å)   | (kcal/mol/Å)   | (kcal/mol)       | Status
--------------------------------------------------------------------------------
     0 |     24405.0680 |      1918.2996 | 50226003837.2583 |
    10 |      1694.8894 |        75.8715 |       42352.9137 |
    20 |       863.2683 |        31.7036 |       32491.4982 |
   ...
   780 |         2.9120 |         0.6215 |       12265.6533 |
   790 |         1.5248 |         0.4868 |       12192.9054 |
   793 |         1.7364 |         0.4949 |       12187.2791 | FRMS-Conv
--------------------------------------------------------------------------------
=== Optimization Finished ===
Reason: FRMS-Conv
Total Time: 7.263s     (Avg: 9.148ms / step)
Final Energy: 12187.2791      kcal/mol
Final FRMS:   0.4949          kcal/mol/Å
Min Distance: 1.0927          Å (Atoms 1240 and 1242)
--------------------------------------------------------------------------------

結果の解説

低密度パッキングの利点

密度 0.10 g/cm³ で構築した場合、最近接原子間距離は 1.0927 Å と非常に高品質な初期構造が得られます。緩和プロセスも非常にスムーズに進み、短ステップで収束します。

推奨されるワークフロー

大規模なポリマー系では、以下の手順が最も堅実です。

fbtk を使い、低密度（0.10 〜 0.30 程度）でトポロジーの整合性が取れた構造を作成する。
得られた構造をMDソフトへ渡し、NPTアンサンブルを用いて目的の密度までゆっくりとシステムを圧縮・平衡化する。