CP2K经典力场与Lennard-Jones实操

下载完整输入、实际输出、续算文件和五张高清图。在已分配CPU资源内，新解压目录执行 bash run.sh，计算写入 work/cases，分析写入 work/analysis，图片在 work/figures。

1 CP2K也能做经典分子力学#

METHOD QS用于Quickstep电子结构；本篇使用 METHOD FIST运行明确给定的经典Lennard-Jones模型，不求解电子结构，也不需要基组或GTH赝势。

程序为CP2K2026.2 CPU版，Intel oneAPI2024.2、Intel MPI2021.13；实际小例使用1MPI、1线程。它们用于理解输入与结果，不作为并行性能推荐。

module load cp2k/2026.2-8173m
cp2k.psmp --version
cat inputs/ar-dimer-4.5/input.inp

2 完整二体输入#

下面两个Ar相距4.5Å；完整文件可以直接作为单点输入：

&GLOBAL
 PROJECT ar-dimer-4.5
 RUN_TYPE ENERGY_FORCE
 PRINT_LEVEL MEDIUM
&END GLOBAL
&FORCE_EVAL
 METHOD FIST
 &MM
  &FORCEFIELD
   &SPLINE
    EPS_SPLINE 1E-10
   &END SPLINE
   DO_ELECTROSTATICS .FALSE.
   SHIFT_CUTOFF .TRUE.
   &CHARGE
    ATOM Ar
    CHARGE 0.0
   &END CHARGE
   &NONBONDED
    &LENNARD-JONES
     ATOMS Ar Ar
     EPSILON [K_e] 119.8
     SIGMA [angstrom] 3.405
     RCUT [angstrom] 7.5
    &END LENNARD-JONES
   &END NONBONDED
  &END FORCEFIELD
  &POISSON
   &EWALD
    EWALD_TYPE NONE
   &END EWALD
  &END POISSON
 &END MM
 &SUBSYS
  &CELL
   ABC 30 30 30
   PERIODIC NONE
  &END CELL
  &COORD
   Ar 10 10 10
   Ar 14.5 10 10
  &END COORD
  &TOPOLOGY
   CONN_FILE_FORMAT OFF
  &END TOPOLOGY
 &END SUBSYS
 &PRINT
  &FORCES ON
  &END FORCES
 &END PRINT
&END FORCE_EVAL

新建自己的目录并运行时：

mkdir my-dimer
cp inputs/ar-dimer-4.5/input.inp my-dimer/
cd my-dimer
cp2k.psmp -i input.inp -o output.log
grep 'ENERGY|' output.log
grep 'FORCES|' output.log

正式计算应在分配的资源中执行。完整包按顺序运行五个距离点及后续MD，并自带CPU整节点提交模板：

sbatch submit.slurm

模板申请56核整节点，小教学例固定单线程便于对照；较大任务需按实际计算规模配置MPI/OpenMP。

3 力场单位与截断能量零点#

势函数为：

V(r) = 4ε [(σ/r)^12 − (σ/r)^6]

本例 EPSILON [K_e] 119.8，SIGMA [angstrom] 3.405，截断7.5Å。EPSILON这里是温度形式的能量单位K_e，不能把119.8直接当eV或kcal/mol。

SHIFT_CUTOFF .TRUE.使截断处能量为零，因此实际比较的解析能量是 V(r)−V(7.5Å)。这只平移能量常数，不改变截断内的解析力。程序输出能量以Hartree计，力以Hartree/Bohr计；附件按输出头部的常数表换算。

左原子位于x较小的一侧，Fx为负表示向左排斥，为正表示向右吸引。附件同时核对两个原子合力为零，不能只看一列能量就忽略力的方向。

4 样条精度与静电设置#

&SPLINE
 EPS_SPLINE 1E-10
&END SPLINE

FIST用样条表处理非键相互作用。本例为观察接近截断处很小的能量，显式设置这个精度；改变样条阈值后应检查能量和力，而不是只增加输出小数位。

Ar电荷设为0，本例关闭实空间静电并使用 EWALD_TYPE NONE。这不适用于一般带电或极性力场；那类体系还需要正确的电荷、长程静电和分子拓扑。

5 换成自己的模型#

检查原子KIND、单位、势参数来源、边界和截断。经典LJ参数不能直接用来描述共价反应或电子性质。接着可按系综与时间步运行Ar108，并用续算和轨迹分析检查结果。参考：CP2K力场输入。

QM/MM实操延伸#

把部分原子交给经典力场时，先按分区与拓扑对齐坐标和PSF编号；机械嵌入用实际能量和全部力分量拆分对照；电嵌入用Na⁺演示QM极化、同网格参照和能量差分力。四原子模型没有跨区共价键，不替代真实体系的边界和采样检查。