В.Д. Казанцева1, А.А. Журавлев2, К.К. Абгарян3

1–3 Федеральное государственное учреждение «Федеральный исследовательский центр «Информатика и управление» Российской академии наук» (ФИЦ ИУ РАН) (Москва, Россия)
1 varak0318@gmail.com, 2 zhuravlyow.andrei@gmail.com, 3 kristal83@mail.ru

Постановка проблемы. С развитием высокопроизводительных вычислительных средств и совершенствованием численных методов стало возможным применение многомасштабного компьютерного моделирования для проведения реалистичных расчетов структурных особенностей и свойств полимерных материалов. Однако существенным ограничением в их использовании является отсутствие стандартизированных и отказоустойчивых методов для автоматического построения равновесных трехмерных структур полимеров на основе их химического описания, что на практике существенно снижает скорость проведения и воспроизводимость вычислительных экспериментов. Одной из актуальных является задача, связанная с автоматизацией наиболее трудоемких и затратных по времени процессов расчета таких структур на атомно-кристаллическом уровне.

Цель. Разработка методологии и программной реализации процесса автоматического построения равновесных атомистических структур полимеров для детерминированного преобразования химической формулы полимера (в SMILES-нотации) в его релаксированную атомистическую структуру, пригодную для использования в ходе многомасштабного моделирования.

Результаты. Разработан формализованный вычислительный конвейер, управляемый детерминированным конечным автоматом, и реализован алгоритм рекурсивной коррекции параметров молекулярно-динамического моделирования, обеспечивающий отказоустойчивость. Данный подход валидирован на семи полимерных системах различного химического строения. Показано, что средняя ошибка предсказания плотности моделируемых материалов составила 3.10%, что подтверждает физическую адекватность разработанного подхода. Все расчеты для полимерных цепей длиной от 270 до 6750 мономеров завершились успешно без ручного вмешательства, демонстрируя надежность и масштабируемость подхода.

Практическая значимость. Разработанный на основе созданного подхода вычислительный модуль представляет собой готовое программное решение для автоматизации трудоемкого и важного этапа молекулярно-динамического моделирования – построения и релаксации начальных атомистических структур полимеров. Его интеграция в существующие вычислительные платформы в дальнейшем даст возможность создавать автоматизированные конвейеры для многомасштабного моделирования полимерных композиционных материалов. Это позволит повысить скорость и эффективность исследований за счет исключения рутинных ручных операций, минимизации человеческих ошибок и гарантированной воспроизводимости результатов.

Казанцева В.Д., Журавлев А.А., Абгарян К.К. Автоматизация процесса построения равновесных атомистических структур полимеров в задачах многомасштабного моделирования // Системы высокой доступности. 2025. Т. 21. № 4. С. 55−60. DOI: https://doi.org/ 10.18127/j20729472-202504-05

1. Абгарян К.К. Многомасштабное моделирование в задачах структурного материаловедения. М.: МАКС Пресс. 2017. 284 с.
2. Абгарян К.К. Информационная технология построения многомасштабных моделей в задачах вычислительного материаловедения // Системы высокой доступности. 2018. Т. 15. № 2. С. 9–15.
3. Van Gunsteren WF, Bakowies D, Baron R, Chandrasekhar I, Christen M, Daura X, Gee P, Geerke DP, Glättli A, Hünenberger PH, Kastenholz MA, Oostenbrink C, Schenk M, Trzesniak D, van der Vegt NF, Yu HB. Biomolecular modeling: Goals, problems, perspectives. Angew Chem Int Ed Engl. 2006 Jun 19;45(25):4064-92. doi: 10.1002/anie.200502655. PMID: 16761306.
4. Martínez L., Andrade R., Birgin E.G., Martínez J.M. PACKMOL: A package for building initial configurations for molecular dynamics simulations. Journal of Computational Chemistry. 2009. V. 30. № 13. P. 2157–2164.
5. Plimpton S. et al. LAMMPS – a flexible simulation tool for particle-based materials modeling at the atomic, meso, and continuum scales. Computer Physics Communications. 2022. V. 271. P. 108171.
6. Hünenberger P.H. Thermostat algorithms for molecular dynamics simulations. Advanced Computer Simulation. 2005. V. 173. P. 105–149.
7. Mark J.E. ed. Polymer Data Handbook. 2nd ed. New York: Oxford University Press. 2009. 1256 p.