Liquid water simulation; A Critical examination of cutoff length

水のシミュレーション; カットオフの徹底的な検証

米谷 佳晃*

Yonetani, Yoshiteru*

分子動力学計算において分子間の相互作用をどこまで取り込むかは常に問題である。特に、距離の逆数で効くクーロン相互作用は遠距離まで作用する。しかし、計算効率を上げるため、第二水和水の距離、つまり、9A程度の距離で相互作用を打ち切った計算が多く行われてきた。本研究では、カットオフ距離を単純に長くすればシミュレーションが必ずしもより正確になるとはかぎらないことを見いだした。特に、水分子の配向は、カットオフ距離を長くすると逆に助長されることがあることを示した。さらに、このようなカットオフによるアーティファクトはスイッチング関数など滑らかな関数系を使うことで回避できることを示した。

Cutoff treatment is the simplest approach for evaluating intermolecular interactions in molecular dynamics simulations. It has been believed that increasing cutoff length makes simulation results better. On the contrary, our results of the bulk water simulations studied within the range of cutoff length, 9-18 showed an opposite tendency: the artifact was enhanced by increasing the cutoff length. Especially, in terms of the distance dependent Kirkwood factor G(r), it was clearly shown that the orientational behavior of water molecules becomes gradually worse as the cutoff length becomes longer. The artifact enhanced by the increased cutoff length led to a reported spurious artifact, i.e., phase transition [Y. Yonetani, Chem. Phys. Lett. 406, 49 (2005)]. Though the cutoff artifact was largely reduced by adopting a force switching technique, it did not completely remove the anomalous cutoff length dependence of the artifact. These results suggest that increasing cutoff should not be attempted, regardless of whether the switching force is adopted or not.