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Targeted Molecular Dynamics Calculations of Free Energy Profiles Using a Nonequilibrium Friction Correction
Journal of Chemical Theory and Computation ( IF 5.7 ) Pub Date : 2018-11-08 00:00:00 , DOI: 10.1021/acs.jctc.8b00835 Steffen Wolf 1 , Gerhard Stock 1
Journal of Chemical Theory and Computation ( IF 5.7 ) Pub Date : 2018-11-08 00:00:00 , DOI: 10.1021/acs.jctc.8b00835 Steffen Wolf 1 , Gerhard Stock 1
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As standard unbiased molecular dynamics (MD) simulations become impractical for sampling rare events, “targeted MD” employs a moving distance constraint to enforce rare transitions along some reaction coordinate x. To calculate free energy profiles from these nonequilibrium simulations via ΔG(x) = W(x) – Wdiss(x), apart from the (readily obtained) work W(x) performed on the system, the dissipated work Wdiss(x) is also required. By employing a second-order cumulant expansion of Jarzynski’s equality combined with an analysis within Langevin theory, the dissipated work can be expressed via a nonequilibrium friction coefficient ΓNEQ(x) that may be calculated on-the-fly from constraint force fluctuations. Adopting the ion dissociation of NaCl in water as a test system, this friction correction is shown to result in accurate free energy profiles, even for a modest number of simulations and at high constraint velocities. As a bonus, the analysis of ΓNEQ(x) may yield valuable insight into the microscopic mechanism of friction.
中文翻译：
使用非平衡摩擦校正的自由能曲线的目标分子动力学计算
由于标准的无偏分子动力学（MD）模拟对于稀有事件的采样变得不切实际，“目标MD”采用移动距离约束来沿某些反应坐标x强制执行稀有跃迁。为了通过ΔG（x）= W（x）– W diss（x）从这些非平衡模拟中计算出自由能分布，除了在系统上执行的（容易获得的）功W（x）之外，耗散功W diss（X）也是必需的。通过使用Jarzynski等式的二阶累积扩展并结合Langevin理论进行分析，可以通过非平衡摩擦系数ΓNEQ（x）表示耗散功，该摩擦系数可以根据约束力波动即时计算。采用氯化钠在水中的离子解离作为测试系统，这种摩擦校正显示出准确的自由能曲线，即使对于少量的模拟和高约束速度也是如此。另外，对ΓNEQ（x）的分析可能会为摩擦的微观机理提供有价值的见解。
更新日期：2018-11-08
中文翻译：
使用非平衡摩擦校正的自由能曲线的目标分子动力学计算
由于标准的无偏分子动力学（MD）模拟对于稀有事件的采样变得不切实际，“目标MD”采用移动距离约束来沿某些反应坐标x强制执行稀有跃迁。为了通过ΔG（x）= W（x）– W diss（x）从这些非平衡模拟中计算出自由能分布，除了在系统上执行的（容易获得的）功W（x）之外，耗散功W diss（X）也是必需的。通过使用Jarzynski等式的二阶累积扩展并结合Langevin理论进行分析，可以通过非平衡摩擦系数ΓNEQ（x）表示耗散功，该摩擦系数可以根据约束力波动即时计算。采用氯化钠在水中的离子解离作为测试系统，这种摩擦校正显示出准确的自由能曲线，即使对于少量的模拟和高约束速度也是如此。另外，对ΓNEQ（x）的分析可能会为摩擦的微观机理提供有价值的见解。
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