Isotropic Periodic Sum 法およびWolf 法を用いたMD シミュレーション

摘要

分子動力学(MD: Molecular Dynamics)シミュレーションは，物質分子間に働く相互作用を仮定し，これをもとにニュートンの運動方程式を解くことで分子レベルの微小な時間·空間スケール内で起こる現象を再現する手法である．近年，計算機性能の向上に伴いMDの分野ではタンパク質の2 次構造転移や液晶の自己組織化など，複雑で計算量の多い大規模なシミュレーションに対するニーズが高まっている．MD シミュレーションはその性質上，分子間相互作用の計算に分子数の2 乗に比例する計算量を必要とする．これはMDシミュレーション実行時の最大のボトルネックとなるため，相互作用の省略的近似のための手法がこれまでに数多く開発されてきた．最も単純かつよく用いられている近似は，ある粒子から見て一定の距離以上離れている粒子からの相互作用を無視するカットオフ法である．カットオフ法はファンデルワールス力などの短距離相互作用に対しては有効だが，クーロン力などの長距離相互作用に対して適用すると計算精度が著しく低下し，実際の現象とは大きくかけ離れたシミュレーション結果を引き起こすことも多い．そのため，長距離相互作用の計算を行う際にはEwald 法が最もよく用いられている．Ewald 法は，長距離相互作用を近距離効果とフーリエ級数で表される長距離効果に分離することで計算の精度を保ちつつ計算量を減少させる手法である．しかし上記にあるような巨大な分子集合体が引き起こす複雑な現象を扱う場合，単純なEwald 法の計算速度では不十分なことも多い．そこで我々はEwald 法に変わる新たな長距離相互作用計算の手法として，Isotropic Periodic Sum (IPS)法およびWolf 法に注目した．しかしIPS 法，Wolf 法どちらを用いたシミュレーションの実例は少なく，これらの手法が様々なシミュレーション条件下で適用できるかどうかについては十分に検討する余地がある．本研究では水バルク（一様）系にIPS 法，Wolf 法を適用し，代表的な物理量についてIPS 法とWolf 法，Ewald 法の計算結果を比較することでこれらの手法の計算精度を評価する．