Doping ions

Small ions may replace the host molecules. In that case, you can use -a and -c options to replace the specified water molecules with anions and cations.

The following example replaces the 0th water molecule (in the replicated lattice) with Na cation and 1st water molecule with Cl anion. The hydrogen bonds around the ions are organized appropriately.

genice CS2 --nodep -c 0=Na -a 1=Cl > CS2.gro

Note 1: The numbers of cations and anions must be the same. Otherwise, ice rule is never satisfied and the program does not stop.

Note 2: The option --nodep might also be required because it is often impossible to depolarize the structure containing ions.

Note 3: Protonic defects (H₃O⁺ and OH^-) are not yet implemented.

Doping ions in a hydrogen-ordered ice

Ions can now be doped into hydrogen-ordered ice (such as ice 2 and ice 8) with the dope branch. For example, to dope ions in ice 2, first use genice to create the structure of ice 2.

genice 2 > 2.gro

And dope ions with analice.

analice 2.gro -c 0=NH4 -a 5=F > doped.gro

Here 0th and 5th water molecules will be replaced by NH4 (united atom) and F ions, respectively. You will see the following message during the process.

INFO   Anionize: {5: 'F'}.
INFO   Cationize: {0: 'NH4'}.
INFO   Number of inverted bonds by forced doping: 8

Eight hydrogen bonds were reversed to implant the ions. In order to dope ions into hydrogen-ordered ice, it is necessary to simultaneously reverse a series of hydrogen bonds connecting anions and cations. We have implemented a (quite elaborate) algorithm that minimizes the number of reversed hydrogen bonds.

(You can use the genice command to dope ions in hydrogen-disordered ice.)

dope branch is available here and will be merged to the master branch soon.

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イオンはホスト分子を置き換えることがあります。-aオプションと-cオプションを使って、指定した水分子をアニオンとカチオンに置き換えることができます。

次の例では、0番目の水分子(複製された格子内)をNaカチオンに、1番目の水分子をClアニオンに置き換えています。イオンの周りの水素結合は氷規則を満たすように適切に再配向されます。

genice CS2 --nodep -c 0=Na -a 1=Cl > CS2.gro

注1:カチオンとアニオンの数は同じでなければなりません。そうでないと、アイスルールは満たされず、プログラムは停止しません。

注2:イオンを含む構造は脱分極できない可能性があり、--nodepオプションが必要かもしれません。

注3:プロトン性欠陥(H3O+とOH-)はまだ実装されていない。

水素秩序氷にイオンドープ

dopeブランチで、水素秩序氷(氷2や氷8)にもイオンをドープできるようになりました。 例えば、氷2にイオンをドープする場合には、まずgeniceで氷2の構造を作ります。

genice 2 > 2.gro

この構造に対して、analiceでドープします。

./analice.x 2.gro -c 0=NH4 -a 5=F > doped.gro

途中、以下のようなメッセージが表示されます。

INFO   Anionize: {5: 'F'}.
INFO   Cationize: {0: 'NH4'}.
INFO   Number of inverted bonds by forced doping: 8

イオンを埋めこむために、8本の水素結合が反転されました。水素秩序氷にイオンをドープするためには、かならずアニオンとカチオンを結ぶひとつながりの水素結合列を一斉に反転する必要があります。ここでは、反転する水素結合数が最小で済むような(かなり凝った)アルゴリズムを実装しています。

(水素無秩序氷にイオンをドープする場合はgeniceコマンドだけで作業することもできます。)

dopeブランチはここからダウンロードできます。近いうちにmasterに統合します。