Implementation of general classical force field and their applicability for simple organic systems

Abstract

La química computacional es crucial en la investigación científica y la industria para comprender la estructura molecular, así como interacciones intra e intermoleculares. Sin embargo, su efectividad depende de factores como el costo computacional y la precisión deseada. Los métodos cuánticos (QM) ofrecen alta precisión, pero son computacionalmente exigentes, especialmente para sistemas con gran cantidad de átomos. Los Force Fields (FF), como Dreiding y Universal Force Field (UFF), son ampliamente reconocidos por su bajo costo computacional y eficiencia en la química computacional. Estos force fields ofrecen soluciones rentables, lo que los hace altamente ventajosos para el estudio de sistemas atómicos grandes. Su capacidad para proporcionar representaciones precisas de las interacciones moleculares permite a los investigadores extraer información valiosa en tiempos de cálculo cortos, contribuyendo significativamente a nuestra comprensión de los fenómenos químicos. La integración de métodos computacionales económicos y rentables con entornos de simulación ampliamente utilizados es crucial para impulsar investigación accesible para todos. Este trabajo presenta la implementación y evaluación del rendimiento de Dreiding y UFF en cálculos de química computacional. El objetivo principal fue integrar Dreiding en el paquete structure2lammps, complementando la implementación existente de UFF, para habilitar la compatibilidad con el paquete de python llamado Atomic Simulation Environment (ASE) y el programa Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS). Esta integración tenía como objetivo asegurar la robustez sometiendo la implementación a procedimientos de prueba exhaustivos. Las pruebas, que incluyeron relajación molecular, cálculos de energía y modelado mecánico, confirmaron la confiabilidad y efectividad de estos force fields en cálculos de interacción atómica. Su rendimiento fue validado mediante comparaciones con referencias de la literatura de métodos computacionales más sofisticados y cálculos de Density Functional Tight Binding (DFTB). Ambos force fields demostraron una precisión razonable en la modelización de las características geométricas de moléculas simples. Dreiding y UFF capturaron eficazmente las energías de isomerización de un conjunto de moléculas orgánicas. Además, el estudio investigó el ajuste de la ecuación de estado para cálculos de módulo de volumen. Los datos calculados en estas pruebas muestran gran concordancia al compararse con observaciones en cálculos de DFTB y datos de la literatura.