凍結原子（Frozen Atoms）

概要

クラスターモデルでは切り出し境界の少数の原子を固定しないと、最適化器が末端のフラグメントを非物理的な構造へ引き込んでしまいます。pdb2reaction は キャップ水素（extract が切断結合に付加）と、3 通りの freeze_atoms 指定でこれを扱います。

extract サブコマンドでタンパク質から残基を切り出すと、境界の結合は キャップ水素（残基 LKH、原子 HL、元の結合ベクトル方向に 1.09 Å）でキャップされます。キャップ水素の親原子を自由なまま放置すると、勾配降下によってキャップと親原子が一緒に動き、境界形状が変形します。関連する原子を凍結すれば、構造最適化・MEP 探索・IRC・振動解析を通じて境界が固定されます。

凍結原子の 3 通りの指定方法

2. --freeze-atoms 'i,j,k,...'（CLI 明示指定）

カンマ区切りの 1 始まり 原子インデックスで、任意の入力形式に適用できます。--freeze-links と併用すると和集合が凍結されます。

pdb2reaction tsopt -i ts_candidate.xyz -q 0 -m 1 \
  --freeze-atoms '12,15,28,29,42'

3. YAML geom.freeze_atoms（--config 経由）

geom:
  freeze_atoms: [12, 15, 28, 29, 42]   # 1 始まりインデックス

リストが長い場合や、設定ファイルに同梱したい場合に便利です。CLI と YAML のリストは置換ではなくマージされます。

pdb2reaction tsopt -i ts.xyz -q 0 -m 1 --config tsopt.yaml

3 つのソースの組み合わせ方

実行時に凍結される原子集合は以下の 和集合:

  • YAML geom.freeze_atoms（--config FILE）

  • CLI --freeze-atoms

  • --freeze-links 有効時に検出された LKH 親原子

どれかを優先する仕組みはなく、いずれかのソースに登録された原子はすべて凍結されます。

計算への効果

  • 力（Force）: opt / tsopt / scan / freq / irc と path-opt / path-search の --mep-mode gsm では凍結 DOF の力をゼロ化（hard freeze）。

  • Hessian: 凍結 DOF の行・列は除去される（calc.return_partial_hessian: true。calculator のグローバルデフォルトで、opt / tsopt / scan / freq / irc で再度強制設定）か、フル行列でゼロ化されます。

  • 振動解析: 凍結原子があるとき freq は自動で Partial Hessian Vibrational Analysis（PHVA）を実行し、active ブロックのみ対角化します。

  • path-opt --mep-mode dmf と path-search --mep-mode dmf（soft restraint）: ゼロ化の代わりに HarmonicFixAtoms（デフォルト k_fix = 300 eV/Ų、ASE 単位系）を各 image に追加し、凍結原子を調和拘束で緩和させます（hard 拘束ではなく、初期座標から微小ずれが生じ得ます）。

  • MEP / IRC: path-opt / path-search の --mep-mode gsm と irc は解かれた経路 / IRC 軌跡で hard freeze を適用、--mep-mode dmf（path-opt / path-search）は上記 soft restraint を使用。

サブコマンド対応表

サブコマンド

--freeze-links（PDB）

--freeze-atoms（任意の入力）

YAML geom.freeze_atoms

extract

（LKH/HL を挿入。フラグは下流用）

n/a

n/a

opt

yes

yes

yes

tsopt

yes

yes

yes

freq

yes（PHVA を起動）

yes

yes

irc

yes

yes

yes

path-opt

yes

yes

yes

path-search

yes

yes

yes

scan / scan2d / scan3d

yes

yes

yes

all

yes

yes

yes

よくある落とし穴

  • LKH/HL レコードを手動削除した場合: --freeze-links が凍結対象を見つけられません。--freeze-atoms で明示指定するか、extract を再実行してください。

  • 原子インデックスの再番号化: --freeze-atoms と geom.freeze_atoms は 1 始まりで入力の原子順に依存します。再抽出で順序が変わったらインデックスを再生成してください。

  • トポロジーなしの XYZ/GJF: LKH レコードが無く --freeze-links は no-op です。--ref-pdb FILE または明示的な --freeze-atoms を使用してください。

  • --no-freeze-links の使いどころ: 自動凍結を切る診断目的のみ。本番のクラスターモデル実行では --freeze-links を有効のままにしてください。

関連項目