用于计算分子动力学中自由能的高效方法：羟基磷灰石脱矿为案例研究

尽管分子动力学模拟在许多领域中提供了对现象微观细节的洞察——包括材料科学、物理学和生物学——但其最大障碍是时间尺度受限，其范围远低于正在建模的真实世界过程和现象的尺度。自由能计算旨在作为解决这一问题的手段，理论上可以克服这一限制。这在生物矿化过程（如牙齿矿化形成和溶解）中尤为 relevant，同时也反映了在复杂分子系统中准事件和长时间尺度现象的准确建模的更广泛挑战。然而，由于该领域尚属新兴，诸多问题仍待解决，关于如何应用这一方法的最佳实践尚存疑问。基于 Jarzynski 方程的非平衡工作方法是最具前景的自由能计算方法之一。然而，该方法在更广泛意义上使用的主要挑战是：需要多少次模拟才能获得准确的自由能估计。通过与每项采用 48 核 Intel Xeon Platinum 8268 CPU 的 75 天进行原子簇从表面拔出的可逆拉伸模拟进行比较，我们的结果表明，这一问题是不相关的，更高质量和更好平衡的初始结构是正确的做法，而不仅仅是基于模拟次数。我们设计了一种新的自适应自由能计算方法，该方法将高质量、高计算成本的自由能值与低质量、低成本的值相结合，以构建整个自由能轮廓。在最佳情况下，这种方法可将非平衡工作自由能计算所需的计算成本大幅降低，相较于常规方法和可逆仿真都有显著降低。