lammps-simulation

LAMMPS 分子動力学シミュレーション

このワークステーションで LAMMPS 分子動力学シミュレーションを実行しています。

重要：パラメーターは自分で調べる

力場パラメーターは自分で調べる必要があります。提供されていません。

力場パラメーターの調べ方

ステップ 1：必要な情報を特定する

• 材料は何ですか？（アルゴン、水、銅など）
• どの物性ですか？（拡散、構造、熱伝導率）
• 条件は何ですか？（温度、圧力）

ステップ 2：文献を検索する

Good search queries:
- "[material] lennard-jones parameters molecular dynamics"
- "[material] force field molecular dynamics"
- "[material] interatomic potential parameters"
- "[water model] parameters" (for TIP3P, TIP4P, SPC/E, etc.)
- "[metal] EAM potential"

ステップ 3：信頼できる情報源を見つける

材料	主要論文	主な値
液体アルゴン	Rahman 1964, Phys. Rev. 136, A405	ε/kB=119.8 K, σ=3.405 Å
TIP4P 水	Jorgensen 1983, J. Chem. Phys. 79, 926	論文の表 I を参照
TIP3P 水	Jorgensen 1983（同じ論文）	ε=0.1521 kcal/mol, σ=3.1507 Å
SPC/E 水	Berendsen 1987, J. Phys. Chem. 91, 6269	qO=-0.8476e, ε=0.1553 kcal/mol

ステップ 4：必要に応じて補足資料をダウンロードする Playwright または WebFetch を使って、パラメーターテーブルを含む SI を取得します。

ステップ 5：単位を変換する

kJ/mol → kcal/mol: divide by 4.184
eV → kcal/mol: multiply by 23.06
K → kcal/mol: multiply by 0.001987 (kB)

ステップ 6：入力ファイルに出典を記載する

# Lennard-Jones parameters for liquid argon
# Source: Rahman, Phys. Rev. 136, A405 (1964)
# ε/kB = 119.8 K = 0.238 kcal/mol, σ = 3.405 Å
pair_coeff 1 1 0.238 3.405

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バイナリの場所

LAMMPS は環境変数で設定します（.claude/settings.json またはシェルで設定）：

# From environment variable
LMP="${LMP:-lmp}"  # Falls back to 'lmp' in PATH

# Or check your config
echo $LMP

実行コマンド

CPU：

$LMP -in input.lmp

GPU（大規模システム向け）：

$LMP -sf gpu -pk gpu 1 neigh yes -in input.lmp

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完全なワークフロー（エージェント型）

例：液体アルゴンの拡散

与えられる情報：「液体アルゴンの自己拡散係数を計算する」

実行する内容：

1. アルゴンの MD パラメーターについて文献を検索する

   • 主要論文として Rahman 1964 を見つける
   • ε/kB = 119.8 K、σ = 3.405 Å を抽出する
   • 条件を確認する：T = 94.4 K（三重点）、ρ = 1.374 g/cm³

2. パラメーターを変換する

   • ε = 119.8 K × 0.001987 kcal/(mol·K) = 0.238 kcal/mol

3. システムサイズを計算する

   • N = 864 原子（Rahman が選んだ値。高速化する場合は 256～500）
   • 密度からボックスサイズを求める：L = (N × M / (ρ × Nₐ))^(1/3)

4. 引用を記載した入力ファイルを作成する

   # Liquid Argon MD - Self-diffusion calculation
   # Parameters from Rahman, Phys. Rev. 136, A405 (1964)
   
   units           real
   atom_style      atomic
   boundary        p p p
   
   # Create FCC lattice, will melt to liquid
   lattice         fcc 5.26   # ~1.374 g/cm³
   region          box block 0 6 0 6 0 6
   create_box      1 box
   create_atoms    1 box
   mass            1 39.948   # Argon
   
   # LJ potential - Rahman 1964 parameters
   pair_style      lj/cut 10.0
   pair_coeff      1 1 0.238 3.405  # ε=0.238 kcal/mol, σ=3.405 Å
   
   # Initialize velocities at target temperature
   velocity        all create 94.4 12345
   
   # Equilibration
   fix             1 all nvt temp 94.4 94.4 100.0
   timestep        2.0
   thermo          100
   run             10000
   
   # Production with trajectory for MSD
   reset_timestep  0
   dump            1 all custom 100 trajectory.lammpstrj id type x y z
   run             50000
   

5. シミュレーションを実行する

   $LMP -in input.lmp
   

6. MSD を解析して D を求める

   • LAMMPS の compute msd を使うか、トラジェクトリを後処理する
   • D = lim(t→∞) MSD(t) / (6t)

7. 文献値と比較する

   • Rahman 1964：D ≈ 2.43 × 10⁻⁵ cm²/s
   • 結果は約 10% 以内に収まるはずです

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一般的な Pair Style と用途

Pair Style	用途	備考
lj/cut	希ガス、単純流体	文献から ε、σ を調べる必要があります
lj/cut/coul/long	電荷を持つ分子系	kspace と組み合わせます
eam	金属	文献から .eam ファイルをダウンロードします
tersoff	共有結合系（Si、C など）	公開済みのパラメーターファイルを使用します
reaxff	反応系	力場ファイルが必要です

金属用 EAM ポテンシャルを探す

1. 検索：「[metal] EAM potential LAMMPS」
2. NIST Interatomic Potentials Repository を確認します：https://www.ctcms.nist.gov/potentials/
3. .eam.alloy または .eam.fs ファイルをダウンロードします
4. 入力ファイルで参照します：

   pair_style eam/alloy
   pair_coeff * * Cu_Zhou04.eam.alloy Cu
   

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入力ファイルの構成

1. 単位とスタイル - ほとんどの分子系では units real
2. 構造 - read_data または lattice/create_atoms で作成
3. 力場 - pair_style と pair_coeff（自分で調べる必要があります）
4. ダイナミクス - fix nvt/npt/nve、timestep
5. 出力 - thermo、dump
6. 実行 - minimize または run

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よくある問題と解決策

1. "Unknown pair style" - スタイルがコンパイルされていません。利用可能なスタイルを $LMP -h で確認してください。
2. "Bond atom missing" - データファイルのトポロジーエラー
3. "Out of range atoms" - タイムステップが大きすぎるか、パラメーターが不適切です
4. 温度／エネルギーが正しくない - 単位の整合性を確認してください（real、metal、lj の違い）

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物性の計算

拡散係数

compute         msd all msd
fix             msd_out all ave/time 100 1 100 c_msd[4] file msd.dat

その後：D = slope(MSD vs t) / 6

動径分布関数

compute         rdf all rdf 100
fix             rdf_out all ave/time 100 1 100 c_rdf[*] file rdf.dat mode vector

温度／圧力

デフォルトで thermo 出力に含まれています。

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重要な原則

プレースホルダーのパラメーターは使用しないでください。 すべての pair_coeff 行には、コメント内に出典を記載してください。パラメーターが見つからない場合は、さらに詳しく調べるか、文献にパラメーターが見当たらないことを報告してください。