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The multiscale coarse-graining method. I. A rigorous bridge between atomistic and coarse-grained models

统计物理学 粒度 工作(物理) 计算机科学 物理 平均力势 分子动力学 热力学 量子力学 操作系统
作者
W. G. Noid,Jhih‐Wei Chu,Gary S. Ayton,Vinod Krishna,Sergei Izvekov,Gregory A. Voth,Avisek Das,Hans Christian Andersen
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:128 (24) 被引量:721
标识
DOI:10.1063/1.2938860
摘要

Coarse-grained (CG) models provide a computationally efficient method for rapidly investigating the long time- and length-scale processes that play a critical role in many important biological and soft matter processes. Recently, Izvekov and Voth introduced a new multiscale coarse-graining (MS-CG) method [J. Phys. Chem. B 109, 2469 (2005); J. Chem. Phys. 123, 134105 (2005)] for determining the effective interactions between CG sites using information from simulations of atomically detailed models. The present work develops a formal statistical mechanical framework for the MS-CG method and demonstrates that the variational principle underlying the method may, in principle, be employed to determine the many-body potential of mean force (PMF) that governs the equilibrium distribution of positions of the CG sites for the MS-CG models. A CG model that employs such a PMF as a “potential energy function” will generate an equilibrium probability distribution of CG sites that is consistent with the atomically detailed model from which the PMF is derived. Consequently, the MS-CG method provides a formal multiscale bridge rigorously connecting the equilibrium ensembles generated with atomistic and CG models. The variational principle also suggests a class of practical algorithms for calculating approximations to this many-body PMF that are optimal. These algorithms use computer simulation data from the atomically detailed model. Finally, important generalizations of the MS-CG method are introduced for treating systems with rigid intramolecular constraints and for developing CG models whose equilibrium momentum distribution is consistent with that of an atomically detailed model.
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