GROMACS 水盒扩散与有限尺寸

下载完整水盒输入、真实轨迹、压力数据与绘图脚本。解压后进入资料包目录，先查看已有结果：

bash analyze.sh

会在 reference/figures 生成4张高清图，在 reference/analysis 生成汇总CSV。脚本调用集群既有Python3.11后处理环境，包含MDAnalysis2.9.0、NumPy1.26.4和SciPy1.13.1，无需自己找绘图依赖。

重新计算整组，在新解压目录执行：

sbatch submit.slurm
squeue -u "$USER"

数组模板为16个小任务，每个占1张P100和2个CPU线程。核时用户使用模板中的P100核时分区；套餐用户按自己的账户规则修改分区。等全部任务结束后：

bash analyze.sh work

已有 work 的目录不会被覆盖。reference 是已有参考，work 是你新算的结果；两者不要混在一起。

环境为GROMACS2026.4 P100 thread-MPI构建，GNU13.3、CUDA12.8、FFTW3.3.10；动力学的短程非键和PME使用GPU，陡降优化的PME使用CPU。本例不涉及PLUMED。水采用SPC/E固定电荷模型，拓扑内部的SETTLE保持刚性；constraints = none 不会关闭拓扑里定义的SETTLE。

1 先知道你拟合的是什么#

本例读取上述SPC/E水盒真实60 ps NVE坐标，计算水氧原子的多时间起点MSD，再用5–20 ps范围的斜率除以6得到三维扩散估计。刚性水氧与整分子质心的短时间运动不同；不要把本页的有限时间拟合自动等同于任意原子组或分子质心结果。

建模、20 ps NPT→20 ps NVT→60 ps NVE及完整MDP在压力相关与黏度实操。XTC每0.2 ps保存坐标，足以演示这里的长时位移流程；它没有速度，不能直接做VACF。

2 终端提取MSD与D#

进入某一条计算目录后：

module purge
module load gromacs/2026.4-p100-threadmpi
gmx msd -s md.tpr -f md.xtc -o msd.xvg \
  -sel 'name OW' -trestart 1 -maxtau 30 -beginfit 5 -endfit 20
head -30 msd.xvg

name OW选择水氧；-trestart 1每1 ps放一个时间起点，-maxtau 30最长时差30 ps，拟合窗口5–20 ps。较长时差能使用的时间起点更少，不能把曲线上所有点当独立样本。周期边界必须正确解包；跨盒跳跃不能直接当作真实位移。

参考348水第一条轨迹输出的D约 2.3369 ×10⁻⁵ cm²/s，即 2.3369 ×10⁻⁹ m²/s。脚本内部斜率用nm²/ps，单位关系是：1 nm²/ps=10⁻⁶ m²/s；本条D为0.00233690 nm²/ps。

3 比较盒长和不同种子#

下面D与SD统一用 10⁻⁹ m²/s。SD是四个种子结果的样本标准差，不是95%置信区间：

原生MSD采用真实XTC；附件另外按最小镜像展开每帧水氧坐标，按同样的1 ps起点重建所有MSD点，并检查拟合与单位。CSV同时保留每一个种子的结果，避免只看平均数。

在资料包根目录查看完整汇总：

head -20 reference/analysis/transport-summary.csv

如果希望改拟合窗口，仍在对应计算目录重新运行：

gmx msd -s md.tpr -f md.xtc -o msd-window.xvg \
  -sel 'name OW' -trestart 1 -maxtau 30 -beginfit 10 -endfit 25

第一条348水轨迹在2–10、5–20、10–25 ps窗口下分别约2.255、2.337、2.398 ×10⁻⁹ m²/s。更换窗口会改变输出，不要只取最接近预期的那段。

4 为什么这里不直接给无穷大盒子的D#

本批实际NVE平均温度约292.6–307.5 K，密度约980.7–1011.5 kg/m³，短NPT尚不保证各盒在严格相同热力学状态。因此图中的D–1/L只是盒长、种子和状态差异的共同对照，没有做可信的无穷大尺寸外推，也没有反推黏度。

常见立方均匀流体的Yeh–Hummer表达式是 D∞ = D(L) + ξ kBT/(6πηL)，ξ约2.837297，见Yeh–Hummer原始论文。使用前必须有适用的周期边界/流体条件、匹配的温度密度、充分扩散时间和独立收敛的η。这里的短轨迹黏度还明显漂移，不能把它代入后声称已经消除有限尺寸误差。

真实研究应先延长平衡和生产，固定相同状态，再用多个盒长、多个独立种子和多个时间块比较。水模型、PME、LJ截断、恒温器和选取的原子/分子组也要保持一致。

5 其他液体分析继续用哪些工具#

本批专门补压力积分与盒长比较。已有RDF、扩散入门、偶极与介电、电流实操、速度相关与液体工具、横向流相关可按自己的输入继续操作。电解质的电流/介电处理、分子速度采样与宏观黏度不是同一种输出，不能互相替代。

参考：GROMACS MSD说明、gmx msd参数。