事例4：ポリマー混合物（PEO ＋ LiTFSI）

この事例では、ポリマー電解質の代表的な系であるポリエチレンオキシド（PEO）とリチウム塩（LiTFSI）の混合系を構築します。

対象システム

構成:
- ポリマー：PEO (DP 40) × 6本
- 塩：Li+ × 40個 / TFSI- × 40個
総原子数: 2,332
初期設定密度: 0.80 g/cm³

計算コード (run.py)

import fbtk

# 1. イオン成分の定義（電荷を明示）
li = fbtk.Molecule.from_smiles("[Li+]", name="Li")
tfsi = fbtk.Molecule.from_smiles("C(F)(F)(F)S(=O)(=O)[N-]S(=O)(=O)C(F)(F)(F)", name="TFSI")

# 2. Builderの初期化
builder = fbtk.Builder(density=0.80)

# 3. ポリマーを追加
builder.add_polymer(
    name="PEO",
    smiles="*COC*",
    count=6,
    degree=40
)

# 4. イオンを追加（低分子として扱う）
builder.add_molecule(li, count=40)
builder.add_molecule(tfsi, count=40)

# 5. システムの構築と緩和
system = builder.build()
print("Starting relaxation for PEO + LiTFSI...")
system.relax()

# 6. 結果の出力
tfsi.to_file("tfsi.mol")
system.to_file("peo_litfsi_cell.mol2")
print("Done.")

実行ログの確認

Atoms:     2332       | Bonds:     2246
--------------------------------------------------------------------------------
       | Fmax           | FRMS           | Total E          |
Iter   | (kcal/mol/Å)   | (kcal/mol/Å)   | (kcal/mol)       | Status
--------------------------------------------------------------------------------
     0 |     42460.5967 |      5751.8199 | 1522447504435.8914 |
    10 |      6956.8469 |       332.1981 |      283012.9750 |
    20 |      2197.2766 |       160.4736 |      162126.0113 |
   ...
   230 |      3498.5209 |        55.5260 |       21639.1823 |
   240 |       124.9193 |         2.7596 |       21638.9629 |
   247 |        83.1694 |         2.3074 |       21638.9629 | E-Stalled
--------------------------------------------------------------------------------
=== Optimization Finished ===
Reason: E-Stalled
Total Time: 4.063s     (Avg: 16.382ms / step)
Final Energy: 21638.9629      kcal/mol
Final Fmax:   83.1694         kcal/mol/Å
Final FRMS:   2.3074          kcal/mol/Å
Min Distance: 1.0080          Å (Atoms 123 and 126)
--------------------------------------------------------------------------------

結果の解説

イオンの扱いと構造緩和

fbtk の relax()（UFF力場ベース）では、静電相互作用（電荷間のクーロン力）も考慮されるようになりました。SMILESにおいて [Li+] や [N-] のように電荷を明示することで、fbtk は自動的に部分電荷を割り当て、それらを考慮した初期構造生成および緩和を実行します。これにより、イオン間の反発や極性分子の配置がより適切に扱われます。

緩和の品質

最近接原子間距離は 1.0080 Å となり、イオンとポリマー鎖が密集した系においても、物理的に致命的な衝突がない状態まで緩和されています。静電相互作用を含む厳密な平衡化は、この緩和構造を初期値としてMDソフトへ渡し、電荷を考慮した力場を適用して行うのが標準的なワークフローとなります。