CP2K专题

CP2K QM/MM分区与拓扑准备

用水与外部Ar或Na离子的四原子例子，理解QM/MM原子编号、PSF拓扑和电荷设置。

更新于 2026-10-28约 5 分钟阅读按任务与环境选择适用配置

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下载完整输入、实际结果与四张高清图。解压后在已分配CPU资源中执行 bash run.sh；输入在 inputs，新的结果在 work/cases，分析在 work/analysis，图片在 work/figures。

1 先确定哪些原子算电子，哪些原子用力场#

QM/MM把同一个结构分成两个部分：QM区显式求解电子结构，MM区由经典力场描述。本篇采用一个很小的四原子结构，先看清分区与输入，再扩展到自己的体系。

第1个原子：水的O，属于QM。
第2、3个原子：水的两个H，属于QM。
第4个原子：外部Ar或Na⁺，属于MM，距O为4Å。

实际水与Ar/Na模型和QM/MM分区

水分子整体属于QM区，没有共价键穿过QM/MM边界，因此这个例子不需要LINK原子；存在跨区共价键的蛋白、表面等体系还需另外定义边界处理，不能照抄本例的三行分区就结束。

2 获取并运行配套示例#

CP2K2026.2 CPU版使用Intel oneAPI2024.2和Intel MPI2021.13。QM与QM/MM小例为4MPI×1线程，经典控制为1MPI×1线程；完整脚本同时最多运行两个条件。

module load cp2k/2026.2-8173m
cp2k.psmp --version
ls inputs
cat inputs/ar-qmmm/input.inp
cat inputs/ar-qmmm/topology.psf
sbatch submit.slurm

提供的CPU模板遵循整节点56核申请；小例固定少量MPI便于对照，不作为大体系并行配置推荐。也可以在已经分配好的资源内直接 bash run.sh。

若只想手动运行一个模型，先保持输入和拓扑在同一目录：

mkdir my-qmmm
cp inputs/ar-qmmm/input.inp inputs/ar-qmmm/topology.psf my-qmmm/
cd my-qmmm
mpirun -np 4 cp2k.psmp -i input.inp -o output.log
grep 'SCF run converged' output.log
grep 'ENERGY|' output.log

仅有输出文件不代表电子收敛；运行完成后同时检查SCF和最终总能量。

3 原子序号、KIND与分区必须一致#

&QMMM
 E_COUPL NONE
 CENTER NEVER
 &CELL
  ABC 12 12 12
  PERIODIC NONE
 &END CELL
 &QM_KIND O
  MM_INDEX 1
 &END QM_KIND
 &QM_KIND H
  MM_INDEX 2 3
 &END QM_KIND
 &MM_KIND Ar
  RADIUS [angstrom] 1.0
 &END MM_KIND
&END QMMM

MM_INDEX从1开始，指整个拓扑/坐标表中的原子编号，不是元素种类编号，也不是QM区内部重新从1数的编号。调整原子顺序时，坐标、PSF、QM_KIND中的编号都要同步。

CENTER NEVER让这个固定几何对照保持原坐标；QM区与完整体系都用12Å非周期盒。它是本例用于统一位置和网格的设置，不是所有大体系都必须照抄的规则。

4 PSF同时定义原子、电荷和连通关系#

下面是Ar模型的实际拓扑文件：

PSF

       1 !NTITLE
 REMARKS generated four/small-atom teaching model

       4 !NATOM
       1 WAT     1 HOH  O1   O         -0.834000     15.999400       0
       2 WAT     1 HOH  H2   H          0.417000      1.007940       0
       3 WAT     1 HOH  H3   H          0.417000      1.007940       0
       4 MM      2 ION  Ar4  Ar         0.000000     39.948000       0

       2 !NBOND: bonds
       1       2       1       3

       1 !NTHETA: angles
       2       1       3

       0 !NPHI: dihedrals

       0 !NIMPHI: impropers

       0 !NDON: donors

       0 !NACC: acceptors

       0 !NNB

0 0 0 0

       0       0 !NGRP NST2

每行原子记录包括编号、分段、残基、原子名、类型、电荷与质量。水的O为−0.834、每个H为+0.417；Ar为0，Na模型中Na为+1。水的两条OH键是1–2和1–3，HOH角是2–1–3。

这是标准PSF固定列宽文件。用文本编辑器修改原子名或电荷时，保持列宽；不要把所有空格压成一个。可以直接复制附件中的文件，较大模型则应使用与实际力场匹配的拓扑工具生成。

输入通过以下段落读取拓扑：

&TOPOLOGY
 CONN_FILE_FORMAT PSF
 CONN_FILE_NAME topology.psf
&END TOPOLOGY

PSF中的电荷与本例FORCEFIELD中显式给定的电荷相同。已有真实体系通常选择清楚的参数来源，避免两处定义不一致。水模型给出了OH键与HOH角；没有的扭转、Urey-Bradley等项不表示可以在复杂分子中省略。

5 量子区电荷与整个模型电荷分开看#

DFT里的 CHARGE 0指QM水为中性，共8个价电子。外部MM粒子为Na⁺时，整个组合带+1电荷，不能为了这个总电荷直接把QM水也改成 CHARGE 1。

水使用PBE、DZVP-MOLOPT-SR-GTH基组和GTH-PBE O6/H1赝势。MM水电荷、键角来自TIP3P柔性模型；Na采用CHARMM27的SOD参数，σ由0.242992625373nm换成2.42992625373Å，ε为0.1962296kJ/mol。交叉LJ参数按显式Lorentz-Berthelot混合列出。参数来源与完整数值在附件 PARAMETERS.json。

6 接着选择耦合方法#

机械嵌入保持QM密度不受外部经典电荷极化；GAUSS电嵌入把外部电荷引入QM哈密顿量。本例是固定几何输入教程，没有用四原子单点结果代表溶剂化自由能或真实凝聚相统计。

参考：CP2K QM/MM输入。

有共价键跨区时的下一步#

本篇水与外部粒子之间没有跨区共价键。丁烷LINK封端实操进一步展示两处C–C边界、IMOMM虚拟H、完整PDB与力场输入，并用两种微移步长核对投影力。机械边界与GAUSS边界电荷处理仍需按各自模型检查。

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