Bond Boost：加速分子动力学模拟中新键形成

在本教程中，我们将展示如何使用Bond Boost加速方法，驱动非催化“环氧化物-胺”的聚合反应，以生成高度交联的环氧聚合物结构：

注意：Bond Boost的某些设置，有可能导致无法还原出实际反应机理(详见下文对Bond Boost机理的解释)。

版本要求AMS2020.101及其以上。(分子结构下载)

本文以ReaxFF分子动力学为例说明，但实际上也适合BAND、Mopac、DFTB、机器学习势的分子动力学。Bond Boost方法非常适合于加速反应中的新键形成。

创建混合物模型：

这里为了清晰的看到加速过程，只添加了2个BisF分子，1个DETDA分子。

Bond Boost机理：为了用Bond Boost加速反应，用户需要定义若干对原子距离，根据这些距离，Bond Boost算法外力对这些“原子对”施加拉力或者推力，促使键形成或断裂。在此期间，反应可能发生，也可能不会发生，仍然具有热力学随机性。 具体推力、拉力何时作用？我们可以在下面的参数设置中看到。

对于当前的反应，“原子对”的距离是指N原子与环氧基末端C原子之间的距离，以及环氧基O原子与胺基中最接近的H原子之间的距离：

本文中，我们会定义出4种原子，将这四类原子，设定为4个Region

• 所有环氧基末端C原子，命名为CT（C Terminal）
• 所有N原子，命名为AllN
• 所有H原子，命名为AllH
• 所有O原子，命名为AllO

这里有一个技巧，在分子个数较多的时候非常有用：这个体系里面有2个DETDA，我们可以选中其中一个DETDA的环氧基末端C原子，为这两个原子创建一个分区，并改名为CT，

然后：

所有DETDA分子的环氧基末端C原子都被添加到该Region了。

创建其他Region（选中一个H原子，然后菜单Select - Select Atoms Of Same Type则所有H原子都被选中，然后创建RegionAllH，N、O可以类似操作）：

“原子对”距离数值如下所示：

我们希望当前存在成键的“原子对”断开，没有成键的“原子对”能成键。因此对于成键的“原子对”，当它们的距离在定义区间时，就给它一个推力，对于没有成键的“原子对”当它们距离距离在定义区间时，就给它一个拉力，达到如下图所示的效果：

所以实际上如果拉力、推力应用过度，就会显著改变机理，如果是对机理研究，需要注意使用哪些条件可以不破坏机理。

那么参数设置如下：

Bond Boost参数：

• Bond Boost lifetime，指每次Restraints作用持续步数上限。这里设置成了3万步，一般可以设置为2000或3000。该时间结束后，会再次检测是否有符合条件的环、链（环、链含义见下文），以施加Restraints。因此该值设置的较大，则Bond boost工作频率就比较低。
• Number of instance，指同时施加Restraints的环、链数（参看下文后有助于理解此处），该数值设置越大，计算速度越慢。

Atom types with region参数：

• 本例中，这些“原子对”是循环、首尾相连的“环”：1~2、2~3、3~4、4~1。但也可以是“链”，例如1~2、2~3、3~4。系统会监测环或者链相关“原子对”的实际距离，如果发现设定的几组R_min、R_max条件全部同时满足，下方所定义的Restraints（施加外力）就会发生作用。如果有多组环或者链满足条件，会选择其中距离之和最短的n组(Number of instance)施加Restraints。
• 本例中，定义的是环，因此5即1。

Restraints参数：

• R₀指目标键长，例如O-H这里设置目标键长是1.5埃，当环或链条件满足时，检查O-H具体距离，如果大于目标键长，将产生拉力，如果小于键长，将产生推力。本例中，因为定义的条件中，当O-H距离在3.0~5.5埃时，才会施加外力，因此实际上只会产生“拉力”，没有机会产生推力（因为距离小于1.5埃时，条件已经不具备了）。这种情况下，目标键长并不需要精确，估算一个值即可，因为这种情况下它主要影响外力的大小，对实际键长没有影响。
• 类似地，环、链条件满足时，2~3之间会产生外加推力，因为底部2~3的目标键长是2.5，比R_max=1.5还大。
• 后面两个数值也是力大小公式中的数值，其中F∞是正比项，k是指数项，调整F∞可以线性的调整力的大小。公式参考：https://www.scm.com/doc/OldReaxFF/BondBoost.html
• Restraints定义的原子对，不需要与上面定义的环、链顺序一致，甚至可以没有任何关系。例如环定义为1~2，2~3，3~4，4~1，Restraints也可以直接施加到2~4上。这种情况的话，就要非常注意R₀的精确设置了，因为环、链条件没有关于2~4的，因此任何键长都可能存在的，那推力、拉力都有可能产生。

用户可以设置多组Bond boost，例如，一个键链搭配一个Restraints，一个键环搭配另一个Restraints。数量没有限制。

在Movie中可以看到很快就发生了预期的聚合反应：

当然里面有改变机理的“推力”因素的原因，否则不会这么快发生反应，本文使用这些条件，只是为了演示Bond Boost的作用。