【LAMMPS】金属表面に付着するナノ水滴の接触角

## Pt表面の液滴接触角（先行事例）
分子動力学法による白金表面上の水液滴構造分子動力学法による白金表面上の水液滴構造（東京大学）
https://www.photon.t.u-tokyo.ac.jp/~maruyama/papers/02/DS39_Kimura.pdf

## lammpsで界面作成
液体：水（tip3p力場）
固体：Pt（INTERFACE力場）

### 固体の作成
- [INTERFACE FF](https://bionanostructures.com/interface-md/) からPtの構造データ（.car, .mdf）をダウンロード

- lammpsのメインフォルダ内にあるtoolsにmsi2lmpというツールがあり、これによって.carファイル、.mdfファイルからlammpsファイルを作成できる。

![Pt_cell.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2371660/b474221f-2922-b5eb-0241-8c264d03543f.png)


- ovitoのreplica機能で界面を作成する。ただし、このツールを使うと力場パラメータがすべて消えてしまうので、元の力場パラメータを再度入力しておく。
![Pt_surface.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2371660/76c52e8e-40aa-c605-968d-ecac0dd74485.png)

### 液体をPt上に乗せる

```
units real
atom_style full
bond_style harmonic
angle_style harmonic
dihedral_style zero
improper_style zero
pair_style lj/cut/coul/long 12 12
pair_modify mix arithmetic
special_bonds lj/coul 0.0 0.0 0.5
kspace_style pppm 1e-4
neigh_modify every 1 delay 0 check yes

variable N_A  index 6.022140857e+23
variable temp index 300
variable nstep index 100000

#____________SiO2読み込み___________#
read_data pt111_surface_3.data &
extra/atom/types 3 &
extra/bond/types 2 &
extra/angle/types 1 &
extra/dihedral/types 0 &
extra/improper/types 0 &
extra/bond/per/atom 2 &
extra/angle/per/atom 1 &
extra/dihedral/per/atom 0 &
extra/improper/per/atom 0 &
extra/special/per/atom 100


variable lx index $(lx) 
variable ly index $(ly)
variable nwall index $(count(all))

group bottom_wall id 1:${nwall}



#________Pt　固定相と熱浴の設定____________#
group Pt type 1
displace_atoms all move 0 0 3

region fixed_Pt plane 0 0 $(bound(Pt,zmin)+0.5) 0 0 -1
group fixed_Pt region fixed_Pt
region fixed_Pt delete
print $(count(fixed_Pt))

region hbath_Pt plane 0 0 $(bound(Pt,zmin)+5) 0 0 -1
group  deleteme region hbath_Pt
group  hbath_Pt subtract deleteme fixed_Pt
region hbath_Pt delete
group deleteme delete
print $(count(hbath_Pt))

#__________液体分子を格子状に配置___________#
省略

#__________界面の力場パラメータを設定___________#
#Pair Coeffs # lj/cut/coul/long/gpu

#1 7.8005 2.53457
#2 0.152073 3.15066
#3 0 0
#4 0 0

variable para index 0.5
variable surface_eps index $(v_para*sqrt(7.8005*0.152073))
variable surface_sig index $((2.53457+3.15066)/2)
pair_coeff 1 2 ${surface_eps} ${surface_sig}


write_data data.Pt_liquidCA
#_________________________________________________________#



#___________________________実行_____________________________#
minimize 1.0e-4 1.0e-6 100 1000

fix hbath_Pt hbath_Pt langevin  ${temp} ${temp} 100 1 tally yes
fix vliquid liquid temp/csvr ${temp} ${temp} 100 12345

group integ subtract all fixed_Pt
fix integ integ nve

compute comliquid liquid temp
compute comSiO2 integ temp
dump methDump all atom 1000 dump.lammpstrj
reset_timestep 0
compute Dens_liquid2D liquid chunk/atom bin/2d z lower 0.5 y lower 0.5
compute Dens_liquid liquid chunk/atom bin/1d z lower 0.005 units reduced
fix 2 liquid  ave/chunk  1 ${nstep} ${nstep} Dens_liquid density/mass ave running file liquid_density.dat
fix 3 liquid ave/chunk   1 ${nstep} ${nstep} Dens_liquid2D density/mass ave running file liquid_density2D.dat

timestep 1
#variable  GamNsurf equal lz*(pzz-0.5*(pxx+pyy))*101325/1e10*1e3

#fix ave/G all ave/time  100 5 1000 v_GamNsurf file surface_tension.dat

thermo_style    custom step time temp press vol density c_comliquid c_comSiO2
thermo 1000

run ${nstep}

write_data data.last

```

## 液滴の密度可視化
計算途中のスナップショット
![Pt_water.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2371660/71b275fc-4169-0f68-dc3e-411a6cbff3fa.png)


2次元の密度分布データを用いて、可視化する。
![Pt_water_density.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2371660/a8378315-7031-20f4-7deb-0a9ef82df0b6.png)

きれいな液滴形になっていないが、これはPt表面が平らなせいか液滴が左右に動いてしまったため。界面に密度が高くなっている場所が確認できる。これは界面からの相互作用によって水の構造化が起きているのだと考えられる。


## Pt-水相互作用を変更した場合


- 0.5$\varepsilon$
![Pt_water_density_0.5.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2371660/f062d8e7-abc7-23a1-e714-1bfee54cc538.png)


- 0.3$\varepsilon$
![Pt_water_density.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2371660/4da8cba6-5101-6453-408a-552d2cd09a4c.png)


- 0.2$\varepsilon$
![Pt_water_density_0.2.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2371660/c1031f64-b6ac-da05-0ab0-e338ccb255de.png)