一种基于第一性原理的可靠且廉价的灵活分子晶体结构预测方法

《Journal of Chemical Theory and Computation》：A Reliable and Inexpensive Flexible Molecule Crystal Structure Prediction Protocol Based on First Principles

晶体结构预测方法通过优化内原子间力场与间单体力场结合，显著提升柔性单体晶格能计算精度，成功将实验晶体结构预测至第二位，并降低计算成本。同时该方法对生物分子模拟具有重要应用前景。

　　

晶体结构预测（CSP）方法在制药、电子、农业和能源材料领域具有重要意义。大多数CSP是通过使用原子-原子力场（FFs）或分散增强型周期性密度泛函理论（pDFT+D）计算来最小化准随机生成的多晶型体的晶格能量来实现的。在前一种方法中，力场可以是经验性的，也可以根据从头算（ab initio）计算的结果进行定制。最近的研究表明，对于具有刚性单体的晶体，基于对称性适应性微扰理论相互作用能量的单体间力场（intermonomer FFs）比经验性力场（empFFs）表现得更好。在这里，我们发现对于具有柔性单体的晶体，基于empFF的CSP方法通常不可靠，并设计了一种方法来开发根据从头算计算结果定制的单体内部力场（intra-aiFFs）。这些内部力场与单体间力场结合使用，在全维度CSP中预测了具有6个自由度的2-乙酰氨基-4,5-二硝基甲苯的晶体结构。对于通过这种基于aiFF的方法预测的1000个最低晶格能量的多晶型体，没有对几何结构进行优化就直接使用了pDFT+D计算。接下来，对排名前100的多晶型体进行了完整的pDFT+D优化。这一方法使得实验测得的晶体结构以远低于其他可靠方法的成本排名第二。我们开发内部力场的方法也应该对生物分子模拟具有重要意义。