Automatized Multi-Scale Force-Field Parameter Optimization of Lennard-Jones Parameters for Molecular Dynamics Simulations

Maßgeschneiderte und akkurate Kraftfelder sind für Simulationen molekularer Systeme von zentraler Bedeutung, da sie bei Modifizierungen der Systeme häufig benötigt werden. Deren Parametrisierung, die Kraftfeldparameteroptimierung genannt wird, ist ein herausforderndes, multimodales Optimierungsproblem, da die Transferierbarkeit der Parameter zwischen den verschiedenen Stoffeigenschaften ausbalanciert werden muss, während deren Wechselwirkungen oft nicht trivial und verwoben sind. Diese kumulative Dissertation widmet sich dieser Aufgabe durch die Entwicklung und Verbesserung eines multiskalen Optimierungsworkflows für Kraftfeldparameter. Eine wichtige Eigenschaft ist dessen modulares Design, das (a) die Optimierung einer beliebigen Auswahl und Anzahl an Parametern in Hinblick auf beliebige Zieleigenschaft ermöglicht und (b) eine Erweiterung durch zusätzliche Optimierungsalgorithmen oder Zielfunktionen begünstigt. Zunächst werden die Grundlagen des Workflows vorgestellt und eine Machbarkeitsstudie durchgeführt, bei der die Lennard-Jones-Parameter für n-Oktan mit Hinblick auf dessen Dichte (d.h. eine multi-molekulare, thermodynamische Stoffeigenschaft) und dessen relative Konformationsenergien (d.h. eine Struktureigenschaft eines einzelnen Moleküls) optimiert werden und gezeigt wird, dass der Anwendungsbereich des Kraftfeldes durch diese Optimierung erweitert wird. Danach werden die Hyperparameter desWorkflows feinjustiert, um die Optimierungsergebnisse weiter zu verbessern. Es wird gezeigt, dass durch sinnvolles Ausbalancieren der Optimierungsziele mittels Gewichtungsfaktoren zuvor hinzugefügte Ungenauigkeiten reduziert werden können. Anschließend wird die zeitliche Effizienz des Workflows erhöht, indem die zeitintensivsten Simulationen durch Surrogatmodelle ersetzt werden. Während des iterativen Optimierungsprozesses werden Simulationen wiederholt benötigt und müssen sequentiell durchgeführt werden. Durch diese Substitution kann die Laufzeit um ungefähr das 20-fache reduziert werden. Zusätzlich werden Richtlinien bezüglich des Trainings und Auswahl dieser Modelle bereitgestellt. Anschließend werden die Lennard-Jones-Parameter für 1-Brombutan und 2-Brombutan optimiert, die ein σ-hole aufweisen, das Halogenbindungen ermöglicht. Diese sind Gegenstand aktueller Forschung, welche durch präzise Simulationsmodelle unterstützt werden kann. Es wird gezeigt, dass das Simulationsmodell zwar verbessert wurde, aber noch weitere Anpassungen notwendig sind. Abschließend werden aussichtsreiche Möglichkeiten dies zu erreichen vorgestellt.