Cubetto di ghiaccio volante - Flying ice cube
Nelle simulazioni di dinamica molecolare (MD), l' effetto del cubo di ghiaccio volante è un artefatto in cui l'energia delle modalità fondamentali ad alta frequenza viene drenata in modalità a bassa frequenza, in particolare nei movimenti a frequenza zero come la traslazione e la rotazione complessive del sistema. L'artefatto deriva il suo nome da una manifestazione particolarmente evidente che si manifesta nelle simulazioni di particelle nel vuoto , dove il sistema che viene simulato acquisisce un elevato momento lineare e sperimenta moti interni estremamente smorzati, congelando il sistema in un'unica conformazione che ricorda un cubetto di ghiaccio o altro rigido corpo che vola nello spazio. L'artefatto è interamente una conseguenza degli algoritmi di dinamica molecolare ed è del tutto non fisico, poiché viola il principio di equipartizione dell'energia .
Origine ed evitamento
L'artefatto del cubo di ghiaccio volante deriva da ripetuti ridimensionamenti delle velocità delle particelle nel sistema di simulazione. Il riscalaggio della velocità è un mezzo per imporre un termostato al sistema moltiplicando le velocità delle particelle di un sistema per un fattore dopo il completamento di un passo temporale di integrazione, come fanno il termostato Berendsen e il termostato Bussi – Donadio – Parrinello. Questi schemi falliscono quando il ridimensionamento viene eseguito su una distribuzione di energia cinetica di un insieme che non è invariante rispetto alla dinamica molecolare microcanonica ; così, il termostato Berendsen (che si ridimensiona all'insieme isocinetico) esibisce il manufatto, mentre il termostato Bussi-Donadio-Parrinello (che si riscala all'insieme canonico) non mostra il manufatto. Il ridimensionamento in un insieme che non è invariante sotto la dinamica molecolare microcanonica si traduce in una violazione della condizione di equilibrio che è un requisito delle simulazioni Monte Carlo (le simulazioni di dinamica molecolare con termostati a ridimensionamento della velocità possono essere pensate come simulazioni Monte Carlo con movimenti di dinamica molecolare e velocità riscalare le mosse), che è la ragione alla base del manufatto.
Quando il problema del cubetto di ghiaccio volante è stato scoperto per la prima volta, il termostato Bussi – Donadio – Parrinello non era ancora stato sviluppato e si desiderava continuare a utilizzare il termostato Berendsen per l'efficienza con cui i termostati a riscalaggio di velocità rilassano i sistemi alle temperature desiderate. Pertanto, sono stati forniti suggerimenti per evitare l'effetto del cubetto di ghiaccio volante sotto il termostato di Berendsen, come la rimozione periodica dei movimenti del centro di massa e l'utilizzo di un tempo di accoppiamento della temperatura più lungo. Tuttavia, più recentemente è stato raccomandato che la pratica migliore sia quella di interrompere l'uso del termostato Berendsen interamente a favore del termostato Bussi – Donadio – Parrinello, in quanto è stato dimostrato che quest'ultimo termostato non mostra l'effetto cubetto di ghiaccio volante.