In order to introduce flexibility into the simple point-charge (SPC) water model, the impact of the intramolecular degrees of freedom on liquid properties was systematically studied in this work as a function of many possible parameter sets. It was found that the diffusion constant is extremely sensitive to the equilibrium bond length and that this effect is mainly due to the strength of intermolecular hydrogen bonds. The static dielectric constant was found to be very sensitive to the equilibrium bond angle via the distribution of intermolecular angles in the liquid: A larger bond angle will increase the angle formed by two molecular dipoles, which is particularly significant for the first solvation shell. This result is in agreement with the work of Höchtl et al. [J. Chem. Phys. 109, 4927 (1998)]. A new flexible simple point-charge water model was derived by optimizing bulk diffusion and dielectric constants to the experimental values via the equilibrium bond length and angle. Due to the large sensitivities, the parametrization only slightly perturbs the molecular geometry of the base SPC model. Extensive comparisons of thermodynamic, structural, and kinetic properties indicate that the new model is much improved over the standard SPC model and its overall performance is comparable to or even better than the extended SPC model.

A multiscale coarse-graining model for ionic liquids has been extended to investigate the unique aggregation of cations in ionic liquids through computer simulation. It has been found that, with sufficiently long side chains, the tail groups of cations aggregate to form spatially heterogeneous domains, while headgroups of the cations and the anions distribute as uniformly as possible. This is understood as the result of competition between the charged electrostatic interactions between headgroups and anions and the collective short-range interactions between the neutral tail groups. This aggregation can help to explain a number of experimentally observed physical phenomena in ionic liquids.

The PLUMED consortium unifies developers and contributors to PLUMED, an open-source library for enhanced-sampling, free-energy calculations and the analysis of molecular dynamics simulations. Here, we outline our efforts to promote transparency and reproducibility by disseminating protocols for enhanced-sampling molecular simulations.

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.

The structure and dynamics of the ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium nitrate is studied by molecular dynamics simulations. We find long-range spatial correlations between the ions and a three-dimensional local structure that reflects the asymmetry of the cations. The main contribution to the configurational energy comes from the electrostatic interactions which leads to charge-ordering effects. Radial screening and three-dimensional distribution of charge are also analyzed. The motion of a single ion is studied via velocity and reorientational correlation functions. It is found that ions "rattle" in a long-lived cage, while the orientational structure relaxes on a time scale longer than 200 ps. As in a supercooled liquid, the mean square displacements reveal a subdiffusive dynamics. In addition, the presence of dynamic heterogeneities can be detected by analyzing the non-Gaussian behavior of the van Hove correlation function and the spatial arrangement of the most mobile ions. The short-time collective dynamics is also studied through the electric current time correlation function.

A methodology is described to systematically derive coarse-grained (CG) force fields for molecular liquids from the underlying atomistic-scale forces. The coarse graining of an interparticle force field is accomplished by the application of a force-matching method to the trajectories and forces obtained from the atomistic trajectory and force data for the CG sites of the targeted system. The CG sites can be associated with the centers of mass of atomic groups because of the simplicity in the evaluation of forces acting on these sites from the atomistic data. The resulting system is called a multiscale coarse-grained (MS-CG) representation. The MS-CG method for liquids is applied here to water and methanol. For both liquids one-site and two-site CG representations without an explicit treatment of the long-ranged electrostatics have been derived. In addition, for water a two-site model having the explicit long-ranged electrostatics has been developed. To improve the thermodynamic properties (e.g., pressure and density) for the MS-CG models, the constraint for the instantaneous virial was included into the force-match procedure. The performance of the resulting models was evaluated against the underlying atomistic simulations and experiment. In contrast with existing approaches for coarse graining of liquid systems, the MS-CG approach is general, relies only on the interatomic interactions in the reference atomistic system.

The dynamics and energetics of an excess proton in bulk phase water are examined computationally with a special emphasis on a quantum-dynamical treatment of the nuclear motion. The potential model used, the recently developed multistate empirical valence bond (MS-EVB) approach [U. W. Schmitt and G. A. Voth, J. Phys. Chem. B 102, 5547 (1998)], is also further refined and described in more detail. The MS-EVB model takes into account the interaction of an exchange charge distribution of the charge-transfer complex with the polar solvent, which qualitatively changes the nature of the solvated complex. Classical and quantum molecular dynamics simulations of the excess proton in bulk phase water reveal that quantization of the nuclear degrees of freedom results in an increased stabilization of the solvated H5O2+ (Zundel) cation relative to the H9O4+ (Eigen) cation, though the latter is still more stable, and that a species intermediate between the two also exists. The quantum proton transport rate, which is evaluated by the centroid molecular dynamics approach, is found to be on the order of two times faster compared to a purely classical treatment of the system and in good agreement with the experimental value. Calculation of the hydrogen-bonding lifetime beyond the first solvation shell of the excess proton reveals a similar quantum enhancement factor compared to the classical regime.

The formulation of quantum dynamical time correlation functions is examined within the context of the path centroid variable in Feynman path integration. This study builds on the centroid-based approach to equilibrium properties developed in the companion paper. The introduction of the centroid perspective into the calculation of real time position correlation functions is outlined and an intriguing quasiclassical role for the centroid variable in real time position correlation functions is identified. This quasiclassical perspective is developed in terms of general interaction potentials, and the computational effort in implementing the method should scale with the size of the system in the same fashion as a classical molecular dynamics calculation. The centroid-based theory is also implemented in several different approaches to calculate general time correlation functions. The theoretical results are illustrated and tested by representative numerical applications.

We propose and implement an alternative approach to the original Car–Parrinello method where the density matrix elements (instead of the molecular orbitals) are propagated together with the nuclear degrees of freedom. Our new approach has the advantage of leading to an O(N) computational scheme in the large system limit. Our implementation is based on atom-centered Gaussian orbitals, which are especially suited to deal effectively with general molecular systems. The methodology is illustrated by applications to the three-body dissociation of triazine and to the dynamics of a cluster of a chloride ion with 25 water molecules.

We describe a procedure for computing the thermal rate constants for infrequent events that occur in complicated quantum mechanical systems. Following the ideas of Gillan, the procedure focuses on the equilibrium statistics of the centroids for the imaginary time quantum paths. We argue that the imaginary time statistics can be used to efficiently bias Monte Carlo sampling of the real time reaction dynamics. Consideration of imaginary time paths or equilibrium statistics alone leads to a quantum transition state theory. Analytical versions of this transition state theory are developed with the aid of a variational principle. Numerical applications of the quantum transition state theory are given for the one-dimensional Eckart barrier problem and for the nonseparable two-dimensional collinear H2+H reaction. Remarkably accurate results are obtained. The quantum transition state theory we describe provides a rigorous basis and generalizes algorithms recently employed to treat electron transfer and also ionization in polar media.