A multiscale force field (FF) is developed for an aqueous solution of trivalent actinide cations An3+ (An = U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, and Cf) by using a 12-6-4 Lennard-Jones type potential considering ion-induced dipole interaction. Potential parameters are rigorously and automatically optimized by the meta-multilinear interpolation parametrization (meta-MIP) algorithm via matching the experimental properties, including ion-oxygen distance (IOD) and coordination number (CN) in the first solvation shell and hydration free energy (HFE). The water solvent models incorporate an especially developed polar coarse-grained (CG) water scheme named PW32 and three widely used all-atom (AA) level SPC/E, TIP3P, and TIP4P water schemes. Each PW32 is modeled as two bonded beads to represent three neighboring water molecules, the simulation efficiency of which is 1 to 2 orders of magnitude higher than that of AA waters. The newly developed FF shows high accuracy and transferability in reproducing the IOD, CN, and HFE of An3+. The molecular structure and water exchange dynamics of the first An3+ hydration shell and the ionic (van der Waals) radii are reinvestigated in this work. Moreover, the new FF can readily be transferred to other popular FFs, as it has practicably predicted the permeability of An3+ in a graphene oxide filter within the framework of optimized potentials for liquid simulations (OPLS)-AA FF. It holds promise for applications in exploring actinide aqueous solutions with multiscale computational overhead.

中文翻译：

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开发用于锕系元素 （An3+） 解决方案的多尺度力场。


通过使用考虑离子诱导偶极子相互作用的 12-6-4 Lennard-Jones 型电位，为三价锕系阳离子 An3+ （An = U、Np、Pu、Am、Cm、Bk 和 Cf） 的水溶液开发了多尺度力场 （FF）。通过匹配实验特性，包括第一溶剂化壳中的离子氧距离 （IOD） 和配位数 （CN） 和水合自由能 （HFE），元多线性插值参数化 （meta-MIP） 算法严格地自动优化电位参数。水溶剂模型结合了一种专门开发的名为 PW32 的极性粗粒 （CG） 水方案和三种广泛使用的全原子 （AA） 级 SPC/E、TIP3P 和 TIP4P 水方案。每个 PW32 被建模为两个键合珠子，代表三个相邻的水分子，其模拟效率比 AA 水高 1 到 2 个数量级。新开发的 FF 在再现 An3+ 的 IOD、CN 和 HFE 方面表现出很高的准确性和可转移性。在这项工作中，重新研究了第一个 An3+ 水合壳和离子 （van der Waals） 半径的分子结构和水交换动力学。此外，新的 FF 可以很容易地转移到其他流行的 FF 中，因为它在液体模拟优化电位 （OPLS）-AA FF 的框架内实际预测了 An3+ 在氧化石墨烯过滤器中的渗透率。它有望在探索具有多尺度计算开销的锕系元素水溶液方面应用。