【龙讯module小课堂】Metadynamics：PWmat+PLUMED实现元动力学算例详解

本文旨在介绍利用PWmat与PLUMED的接口实现Metadynamics的功能。

什么是Metadynamics？

在各个学科领域里分子动力学(MD)都已经产生了深远的影响。然而这个模拟方法的应用范围却一直受到制约，因为该方法所能探索的时间尺度有限，无法遍历所有的结构状态。其中一种情况就是自由能面具有很多个局部的最小值，而在它们之间却有一个较高的能垒难以越过，标准的AIMD就很难越过这个能垒达到另一个亚稳态。这时我们就需要一些特殊的采样方法来帮助我们度过这个能垒。

元动力学(Metadynamics, mMD)是一种在分子动力学模拟中增强采样的方法，它可以将自由能面转变为由几个自己选定的自由度的函数，这些自己选定的自由度通常叫做集合变量(collective variable, CV)。在元动力学中，基于CV构建了的与历史相关的偏置势能(具体形式如下，由一系列离散的基于CV的高斯函数累加而成)可以帮助某一亚稳态的构型越过到另一个亚稳态的自由能垒，比起AIMD可以更容易观察到想要的过程。

详细的原理可以参考doi: 10.1073/pnas.202427399

PLUMED

PLUMED是一个开源的方法库，里面包含了增强采样方法、自由能方法以及多种分析分子动力学（MD）轨迹的工具。

PWmat在MD的过程中嵌入了PLUMED的API接口，无需额外的安装即可实现Metadynamics的计算。

利用PWmat与PLUMED的接口探索CH3Cl的亲核取代反应

本例为CH3Cl的亲核取代反应，以PLUMED与PWmat的接口利用Metadynamics的功能来模拟一个带电的