界面力场

在化学和分子建模的背景下，界面力场(IFF)是一种力场，用于对原子、分子和组件进行经典分子模拟，直至大纳米尺度，涵盖元素周期表中的化合物。它对金属、氧化物和有机化合物采用一致的经典哈密顿能量函数，将生物分子和材料模拟平台连接到一个平台中。可靠性通常高于密度泛函理论计算的可靠性，计算成本低一百万倍以上。IFF包括对所有参数的物理化学解释以及涵盖不同切割平面和所包含化合物的表面化学的表面模型数据库。InterfaceForceField与用于模拟主要有机化合物的力场兼容，可与常见的分子动力学和MonteCarlo代码一起使用。所包含的化学元素和化合物的结构和能量经过严格验证，相对于早期模型，其特性预测精度高达100倍。

早在1960年代后期，氨基酸的原子间势就被开发出来，例如，服务于CHARMM计划。考虑到元素周期表的大小，被覆盖的化学空间的比例很小，并且无机化合物的相容原子间势在很大程度上仍然不可用。不同的能量函数、缺乏对参数的解释和验证限制了对具有不可预测误差的孤立化合物的建模。具体来说，当允许原子移动时，形式电荷、固定原子和其他近似值的假设通常会导致结构坍塌和随机能量差异。2003年引入了一致模拟无机-有机界面的概念。一个主要障碍是分子模型中原子电荷的定义不佳，尤其是对于无机化合物。IFF利用一种分配原子电荷的方法，将化学键准确地转化为分子模型，包括金属、氧化物、矿物质和有机分子。这些模型根据电子变形密度、偶极矩的实验数据以及原子化能量、电离能、配位数和相对于元素周期表中其他化学相似化合物的趋势，再现化合物内部的多极矩（扩展出生模型）。与使用量子方法相比，该方法确保结合实验数据和理论来表示化学键，并产生高达十倍的可靠和可重复的原子电荷。这种方法对于对周期表中内部极性差异很大的化合物进行一致的全原子模拟至关重要。IFF还允许包含电子结构的特定特征，例如石墨材料和芳香族化合物中的π电子。另一个特征是结构和能量的系统再现以验证经典哈密顿量。通过验证来自X射线数据的晶格参数和密度来评估结构预测的质量，这在分子模拟中很常见。此外，IFF使用来自实验测量的表面能和解理能来确保可靠的势能表面。此后，水合能、吸附能、热能、和机械性能通常可以在没有进一步修改的情况下与测量结果定量一致地计算出来。这些参数还具有物理-化学解释，并且化学类比可以有效地用于以良好的准确度导出化学相似但未知化合物的参数。基于随机力场拟合晶格参数和机械性能（能量的二阶导数）的替代方法缺乏可解释性，并且会导致表面和界面能的误差超过500%，从而限制了模型的实用性。

IFF涵盖金属、氧化物、二维材料、水泥矿物和有机化合物。晶格参数的典型精度约为0.5%，表面能的精度约为5%，弹性模量的精度约为10%，包括单个化合物的记录变化。可以使用MaterialsStudio、VMD、LAMMPS、CHARMM-GUI以及其他编辑程序构建散装材料和界面的全原子模型和仿真输入。可以使用许多分子动力学程序进行模拟和分析，例如Discover、Forcite、LAMMPS、NAMD、GROMACS和CHARMM。IFF使用与其他常见力场（CHARMM、AMBER、OPLS-AA、CVFF、DREIDING、GROMOS、PCFF、COMPASS）相同的势能函数，包括12-6和9-6Lennard-Jones势的选项，

准确的原子间势对于分析小至微米尺度的原子、分子和纳米结构的组装至关重要。IFF用于纳米材料和生物界面的分子动力学模拟。在工作站上可以分析多达一万个原子的结构，使用超级计算可以分析多达十亿个原子。例子包括金属和合金的特性、矿物-有机界面、蛋白质-和DNA-纳米材料相互作用、地球和建筑材料、碳纳米结构、电池和聚合物复合材料。由于原子成像和跟踪的限制，模拟可视化原子分辨过程并量化与实验难以捉摸的宏观性质的关系。因此，建模补充了X射线衍射、电子显微镜和断层扫描的实验研究，例如透射电子显微镜和原子力显微镜，以及几种类型的光谱学、量热法和电化学测量。了解3D原子结构和随时间的动态变化是了解传感器功能、疾病的分子特征和材料特性的关键。IFF计算还可用于筛选大量假设材料，以指导合成和加工。

IFF中的数据库提供了金属和矿物的晶体结构和晶体表面的模拟就绪模型。通常，可变的表面化学很重要，例如二氧化硅、羟基磷灰石和水泥矿物的pH响应表面。数据库中的模型选项包含大量的实验数据，用户可以选择和定制。例如，二氧化硅模型根据来自差热重量法、光谱学、zeta电位、表面滴定和pK值的数据涵盖了硅醇基团和硅氧基团的灵活面积密度。类似地，骨骼和牙齿中的羟基磷灰石矿物质显示出磷酸二氢盐与磷酸一氢盐含量随pH值变化的不同表面。

IFF主要是一种经典势能，对化学反应的适用性有限。然而，由于化学键和电子结构的可解释表示，反应的定量模拟是一种自然的扩展。已经报道了在偶氮苯的CCStille偶联、水合反应和顺反异构化反应中Pd纳米颗粒催化剂的相对活性的模拟。模拟反应的一般途径是QM/MM模拟。实现反应的其他途径是在模拟过程中用户定义的键连接性变化，以及使用莫尔斯电势而不是谐波键电势来实现应力-应变模拟中的键断裂。