LAMMPSインプット作成（matlantis-lammps） – Matlantis株式会社

Matlantis で LAMMPS を使う場合は PFPを力場として用いるためにLAMMPSとの連携パッケージ matlantis-lammps が必要です（インストールガイドはこちらです）。

この記事では、matlantis-lammps をインストールした上でさらに、LAMMPS で PFP を用いた計算をする際のインプットの作成についてまとめました（連携パッケージをインストールすると同梱されている lammps.in や READMEを合わせてご覧ください）。

PFPを使うためのLAMMPSインプットの形式

# からはじまる行はコメントアウト行です。
units は "metal" （3行目）
- 必要に応じて単位換算が必要です。詳細はLAMMPSの公式マニュアルをご参照ください。
  https://docs.lammps.org/units.html
- 例えば metal は時間の単位が pico second となっておりますのでご留意ください。
  - 熱浴のTdamp（3つめの数字）は時間単位のため対応が必要です。
  - units が real の場合の "fix nvt temp 300.0 300.0 100.0" は、metalでは、"fix nvt temp 300.0 300.0 0.1" となります
  - 公式マニュアルはこちら（https://docs.lammps.org/fix_nh.html）です。
atom_style は "atomic" （5行目）
- "charge" も利用可能ですが電荷は与えないため "atomic" と同義です。
- "molecular", "full"も利用できます
- atom_styleについて詳細は公式マニュアル（https://docs.lammps.org/atom_style.html）もご覧ください
pair_style は "pfp_api（半角スペース）v.N.0.0 （PFPバージョン）（半角スペース）CRYSTAL_U0（PFPのcalculationモード）（18行目）

例：
```
pair_style pfp_api v7.0.0 CRYSTAL
```
- LightPFPの場合は"light_pfp（半角スペース）examplesv1hienca （モデルID）"とします
  
  例：
```
pair_style light_pfp examplesv1hienca
```

mass に構成原子の質量を記述し（15, 16行目）、対応してpair_coeff を species として構成原子を記述（28行目）
- 例：mass 3 16を定義した場合、pair_coeff * * species C O O として mass とpair_coeff を一致させる必要があります。
通常、LAMMPSでは inファイルに加えてdataファイルが必要ですが、PFPを用いる場合には、古典力場を使用する際にdataファイルに記載する bond, anglem dihedral, improper 等の設定が不要なため、mass, pair_style を inファイルに記載しています。もちろん、mass, pair_styleを dataファイルに設定して別ファイルとしても問題なく実行可能です。

matlantis-lammpsに含まれている lammps.in はこちらです。

ASE でLAMMPSインプットファイルの作成

CIF ファイルを元に、ASEをつかってPFP用のLAMMPS インプットファイルを作成する方法を紹介します。ここでは、まず構造の情報を LAMMPS の data ファイルに書き出し、さらに PFP力場を使うために必要な情報を書き込んだ in ファイルを作成します。

必要なデータ： CIF ファイル（ここでは test.cif）
出力されるデータ： LAMMPSインプットファイル（ここでは test_opt.in, test.data ）

1. ライブラリの読み込み、関数の定義

必要なライブラリを読み込み、CIF ファイルを LAMMPS の dataファイルとして書き出し、参考値として分子量を計算する関数を定義します。

LAMMPS data を書き出すときの引数は以下のようにしています。

format： "lammps-data"
masses ：True
units ： "metal"
atom_style ： "atomic"
specorder ： None

import sys, os
import numpy as np
from ase.data import atomic_numbers
from ase.io import read, write, Trajectory
from ase.io.lammpsdata import read_lammps_data, write_lammps_data
from pfcc_extras.visualize import view_ngl

def cif_to_lammps_ase(cif_file, lammps_file, specorder=None, atom_style='atomic', units='metal'):
    atoms = read(cif_file)
    atoms.write(lammps_file, 
                format='lammps-data', 
                masses=True, 
                units=units, 
                atom_style=atom_style, 
                specorder=specorder
                )
    mol_weight = np.sum(atoms.get_masses())
    return mol_weight

2. 出力ファイル名の指定、data ファイルの作成

出力ファイル名を指定して、1で定義した関数を実行します。

lammps_data_file = "test"
lammps_in_file = "test_opt"

mol_weight = cif_to_lammps_ase("IS(1).cif", lammps_data_file+".data")
print(mol_weight)

読み込んだ data ファイルを描画して確認します。mask_slab ではslab 構造を構成する元素（ここでは例として "Rh"）slab を表示させないようにしています。

atoms = read(lammps_data_file+'.data', format='lammps-data', units='metal')
mask_slab = atoms.numbers==atomic_numbers['Rh']
display(view_ngl([atoms, atoms[~mask_slab]], ['ball+stick'], replace_structure=True))

3. cif ファイルを読み込み、pair_coef の取得

以下のように、cif ファイルを ASE の atomsとして読み込み、pair_coef として入力する値を取得します。

ase_atoms = read("test.cif")

species = ase_atoms.symbols.species()
specorder = sorted(list(species), key=lambda x:-atomic_numbers[x])
pair_coeff = ' '.join(specorder)
print(species)
print(pair_coeff)

4. LAMMPS in ファイルの書き出し

in ファイルとして書き出します。

lmp_data = f"./input_ase.data"

lmp_min_in = f"""
units metal
boundary p p p
atom_style atomic
atom_modify map yes
box tilt large

pair_style pfp_api v7.0.0 CRYSTAL_U0_PLUS_D3

read_data {lmp_data}

pair_coeff * * species {pair_coeff}

thermo 100
thermo_style custom step temp pe ke density
neigh_modify every 1 delay 0 check yes

minimize 1e-4 1e-6 10000 1000000

write_data lmp_min.data pair ij

"""

with open(lammps_in_file+".in", "w") as fo:
    fo.write(lmp_min_in)

5. LAMMPS実行

!lmp_serial -i {lammps_in_file}.in -log ./opt_log.lammps

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