Development of complex classical force fields through force matching to ab initio data: Application to a room-temperature ionic liquid

Recent experimental neutron diffraction data and ab initio molecular dynamics simulation of the ionic liquid dimethylimidazolium chloride ([dmim]Cl) have provided a structural description of the system at the molecular level. However, partial radial distribution functions calculated from the latter, when compared to previous classical simulation results, highlight some limitations in the structural description offered by force fieldbased simulations. With the availability of ab initio data it is possible to improve the classical description of [dmim]Cl by using the force matching approach, and the strategy for fitting complex force fields in their original functional form is discussed. A self-consistent optimization method for the generation of classical potentials of general functional form is presented and applied, and a force field that better reproduces the observed first principles forces is obtained. When used in simulation, it predicts structural data which reproduces more faithfully that observed in the ab initio studies. Some possible refinements to the technique, its application, and the general suitability of common potential energy functions used within many ionic liquid force fields are discussed.

Modéliser la polarisation électronique par un continuum diélectrique intramoléculaire vers un champ de force polarisable pour la chimie bioorganique

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Studies on the dynamics and rheology of dilute suspensions of Brownian particles in simple shear flow under the action of an external force

We present a novel approach to computing the orientation moments and rheological properties of a dilute suspension of spheroids in a simple shear flow at arbitrary Peclct number based on a generalised Langevin equation method. This method differs from the diffusion equation method which is commonly used to model similar systems in that the actual equations of motion for the orientations of the individual particles are used in the computations, instead of a solution of the diffusion equation of the system. It also differs from the method of 'Brownian dynamics simulations' in that the equations used for the simulations are deterministic differential equations even in the presence of noise, and not stochastic differential equations as in Brownian dynamics simulations. One advantage of the present approach over the Fokker-Planck equation formalism is that it employs a common strategy that can be applied across a wide range of shear and diffusion parameters. Also, since deterministic differential equations are easier to simulate than stochastic differential equations, the Langevin equation method presented in this work is more efficient and less computationally intensive than Brownian dynamics simulations.We derive the Langevin equations governing the orientations of the particles in the suspension and evolve a procedure for obtaining the equation of motion for any orientation moment. A computational technique is described for simulating the orientation moments dynamically from a set of time-averaged Langevin equations, which can be used to obtain the moments when the governing equations are harder to solve analytically. The results obtained using this method are in good agreement with those available in the literature.The above computational method is also used to investigate the effect of rotational Brownian motion on the rheology of the suspension under the action of an external force field. The force field is assumed to be either constant or periodic. In the case of con- I stant external fields earlier results in the literature are reproduced, while for the case of periodic forcing certain parametric regimes corresponding to weak Brownian diffusion are identified where the rheological parameters evolve chaotically and settle onto a low dimensional attractor. The response of the system to variations in the magnitude and orientation of the force field and strength of diffusion is also analyzed through numerical experiments. It is also demonstrated that the aperiodic behaviour exhibited by the system could not have been picked up by the diffusion equation approach as presently used in the literature.The main contributions of this work include the preparation of the basic framework for applying the Langevin method to standard flow problems, quantification of rotary Brownian effects by using the new method, the paired-moment scheme for computing the moments and its use in solving an otherwise intractable problem especially in the limit of small Brownian motion where the problem becomes singular, and a demonstration of how systems governed by a Fokker-Planck equation can be explored for possible chaotic behaviour.

Harmonic force fields from scaled SCF calculations: Program ASYM40

We report an extended version of our normal coordinate program ASYM40, which may be used to transform Cartesian force constants from ab initio calculations to a force field in nonredundant internal (symmetry) coordinates. When experimental data are available, scale factors for the theoretical force field may then be optimized by least-squares refinement. The alternative of refining an empirical force field to fit a wide variety of data, as with the previous version ASYM20, has been retained. We compare the results of least-squares refinement of the full harmonic force field with least-squares refinement of only the scale factors for an SCF calculated force field and conclude that the latter approach may be useful for large molecules where more sophisticated calculations are impractical. The refinement of scale factors for a theoretical force field is also useful when there are only limited spectroscopic data. The program will accept ab initio calculated force fields from any program that presents Cartesian force constants as output. The program is available through Quantum Chemistry Program Exchange.

The calculation of force constants and normal coordinates IV: XH4 and XH3 molecules

Normal coordinate calculations of XH4 and XH3 molecules are reviewed and discussed. It is shown that for most of these molecules the true values of the force constants in the most General Harmonic Force Field can be uniquely determined only by making use of vibration-rotation interaction constants. It is emphasized that without these extra data the GFF is not determined. The results are compared with various model force fields for these molecules.

A model for stretch-bend interactions in molecular force fields

Interaction force constants between bond-stretching and angle-bending co-ordinates in polyatomic molecules have been attributed, by some authors, to changes of hybridization due to orbital-following of the bending co-ordinate, and consequent changes of bond length due to the change of hybridization. A method is described for using this model quantitatively to reduce the number of independent force constants in the potential function of a polyatomic molecule, by relating stretch-bend interaction constants to the corresponding diagonal stretching constants. It is proposed to call this model the Hybrid Orbital Force Field. The model is applied to the tetrahedral four co-ordinated carbon atom (as in methane) and to the trigonal planar three coordinated carbon atom (as in formaldehyde).

The calculation of force constants and normal coordinates III: constrained force fields for the methyl halides

A method is discussed for imposing any desired constraint on the force field obtained in a force constant refinement calculation. The application of this method to force constant refinement calculations for the methyl halide molecules is reported. All available data on the vibration frequencies, Coriolis interaction constants and centrifugal stretching constants of CH3X and CD3X molecules were used in the refinements, but despite this apparent abundance of data it was found that constraints were necessary in order to obtain a unique solution to the force field. The results of unconstrained calculations, and of three different constrained calculations, are reported in this paper. The constrained models reported are a Urey—Bradley force field, a modified valence force field, and a constraint based on orbital-following bond-hybridization arguments developed in the following paper. The results are discussed, and compared with previous results for these molecules. The third of the above models is found to reproduce the observed data better than either of the first two, and additional reasons are given for preferring this solution to the force field for the methyl halide molecules.

ASYM20: a program for force constant and normal coordinate calculations, with a critical review of the theory involved

The theory of harmonic force constant refinement calculations is reviewed, and a general-purpose program for force constant and normal coordinate calculations is described. The program, called ASYM20. is available through Quantum Chemistry Program Exchange. It will work on molecules of any symmetry containing up to 20 atoms and will produce results on a series of isotopomers as desired. The vibrational secular equations are solved in either nonredundant valence internal coordinates or symmetry coordinates. As well as calculating the (harmonic) vibrational wavenumbers and normal coordinates, the program will calculate centrifugal distortion constants, Coriolis zeta constants, harmonic contributions to the α′s. root-mean-square amplitudes of vibration, and other quantities related to gas electron-diffraction studies and thermodynamic properties. The program will work in either a predict mode, in which it calculates results from an input force field, or in a refine mode, in which it refines an input force field by least squares to fit observed data on the quantities mentioned above. Predicate values of the force constants may be included in the data set for a least-squares refinement. The program is written in FORTRAN for use on a PC or a mainframe computer. Operation is mainly controlled by steering indices in the input data file, but some interactive control is also implemented.

The calculation of force constants and normal co-ordinates--VII Normal co-ordinates in the E species of allene

Force constant and normal co-ordinate calculations are reported for the E species vibrations of the allene molecule. Data on the fundamental vibration frequencies of allene-h4, allene-d4 and allene-1.1-d2 and on the five experimentally determined Coriolis zeta constants of C3H4 and C3D4, were used in a force constant refinement procedure. Allowing for product and sum rules this gives 21 independent data which were used to refine to the most general harmonic force field (10 parameters) with one constraint (in the absence of any constraints the refinement was not satisfactory). The results have been used to calculate the complete ζz Coriolis interaction matrix for the allene-1.1-d2 molecule, and hence to calculate the expected rotational structure of the perpendicular bending vibrations of this molecule; the good agreement obtained with the observed spectra is a check on our results.

Extracting and validating force fields for disordered polymeric materials from neutron scattering data

We present a new approach that allows the determination and refinement of force field parameters for the description of disordered macromolecular systems from experimental neutron diffraction data obtained over a large Q range. The procedure is based on tight coupling between experimentally derived structure factors and computer modelling. By separating the potential into terms representing respectively bond stretching, angle bending and torsional rotation and by treating each of them separately, the various potential parameters are extracted directly from experiment. The procedure is illustrated on molten polytetrafluoroethylene.

Extracting force fields for disordered polymeric materials from neutron scattering data

We present a new approach that allows the determination of force-field parameters for the description of disordered macromolecular systems from experimental neutron diffraction data obtained over a large Q range. The procedure is based on a tight coupling between experimentally derived structure factors and computer modelling. We separate the molecular potential into non-interacting terms representing respectively bond stretching, angle bending and torsional rotation. The parameters for each of the potentials are extracted directly from experimental data through comparison of the experimental structure factor and those derived from atomistic level molecular models. The viability of these force fields is assessed by comparison of predicted large-scale features such as the characteristic ratio. The procedure is illustrated on molten poly(ethylene) and poly(tetrafluoroethylene).

Revealing atomic-scale details in the force fields above carbonate surfaces

Diese Arbeit stellt eine ausführliche Studie fundamentaler Eigenschaften der Kalzit CaCO3(10.4) und verwandter Mineraloberflächen dar, welche nicht nur durch die Verwendung von Nichtkontakt Rasterkraftmikroskopie, sondern hauptsächlich durch die Messung von Kraftfeldern ermöglicht wurde. Die absolute Oberflächenorientierung sowie der hierfür zugrundeliegende Prozess auf atomarer Skala konnten erfolgreich für die Kalzit (10.4) Oberfläche identifiziert werden.rnDie Adsorption chiraler Moleküle auf Kalzit ist relevant im Bereich der Biomineralisation, was ein Verständnis der Oberflächensymmetrie unumgänglich macht. Die Messung des Oberflächenkraftfeldes auf atomarer Ebene ist hierfür ein zentraler Aspekt. Eine solche Kraftkarte beleuchtet nicht nur die für die Biomineralisation wichtige Wechselwirkung der Oberfläche mit Molekülen, sondern enthält auch die Möglichkeit, Prozesse auf atomarer Skala und damit Oberflächeneigenschaften zu identifizieren.rnDie Einführung eines höchst flexiblen Messprotokolls gewährleistet die zuverlässige und kommerziell nicht erhältliche Messung des Oberflächenkraftfeldes. Die Konversion der rohen ∆f Daten in die vertikale Kraft Fz ist jedoch kein trivialer Vorgang, insbesondere wenn Glätten der Daten in Frage kommt. Diese Arbeit beschreibt detailreich, wie Fz korrekt für die experimentellen Bedingungen dieser Arbeit berechnet werden können. Weiterhin ist beschrieben, wie Lateralkräfte Fy und Dissipation Γ erhalten wurden, um das volle Potential dieser Messmethode auszureizen.rnUm Prozesse auf atomarer Skala auf Oberflächen zu verstehen sind die kurzreichweitigen, chemischen Kräfte Fz,SR von größter Wichtigkeit. Langreichweitige Beiträge müssen hierzu an Fz angefittet und davon abgezogen werden. Dies ist jedoch eine fehleranfällige Aufgabe, die in dieser Arbeit dadurch gemeistert werden konnte, dass drei unabhängige Kriterien gefunden wurden, die den Beginn zcut von Fz,SR bestimmen, was für diese Aufgabe von zentraler Bedeutung ist. Eine ausführliche Fehleranalyse zeigt, dass als Kriterium die Abweichung der lateralen Kräfte voneinander vertrauenswürdige Fz,SR liefert. Dies ist das erste Mal, dass in einer Studie ein Kriterium für die Bestimmung von zcut gegeben werden konnte, vervollständigt mit einer detailreichen Fehleranalyse.rnMit der Kenntniss von Fz,SR und Fy war es möglich, eine der fundamentalen Eigenschaften der CaCO3(10.4) Oberfläche zu identifizieren: die absolute Oberflächenorientierung. Eine starke Verkippung der abgebildeten Objekte

Low dimensionality of supraspinally induced force fields

Recent experiments using electrical and N-methyl-d-aspartate microstimulation of the spinal cord gray matter and cutaneous stimulation of the hindlimb of spinalized frogs have provided evidence for a modular organization of the frog’s spinal cord circuitry. A “module” is a functional unit in the spinal cord circuitry that generates a specific motor output by imposing a specific pattern of muscle activation. The output of a module can be characterized as a force field: the collection of the isometric forces generated at the ankle over different locations in the leg’s workspace. Different modules can be combined independently so that their force fields linearly sum. The goal of this study was to ascertain whether the force fields generated by the activation of supraspinal structures could result from combinations of a small number of modules. We recorded a set of force fields generated by the electrical stimulation of the vestibular nerve in seven frogs, and we performed a principal component analysis to study the dimensionality of this set. We found that 94% of the total variation of the data is explained by the first five principal components, a result that indicates that the dimensionality of the set of fields evoked by vestibular stimulation is low. This result is compatible with the hypothesis that vestibular fields are generated by combinations of a small number of spinal modules.

Position information but not force information is used in adapting to changes in environmental dynamics

This study investigated how movement error is evaluated and used to change feedforward commands following a change in the environmental dynamics. In particular, we addressed the question of whether only position-error information is used or whether information about the force-field direction can also be used for rapid adaptation to changes in the environmental dynamics. Subjects learned to move in a position-dependent force field (PF) with a parabolic profile and the dynamics of a negative spring, which produced lateral force to the left of the target hand path. They adapted very rapidly, dramatically reducing lateral error after a single trial. Several times during training, the strength of the PF was unexpectedly doubled (PF2) for two trials. This again created a large leftward deviation, which was greatly reduced on the second PF2 trial, and an aftereffect when the force field subsequently returned to its original strength. The aftereffect was abolished if the second PF2 trial was replaced by an oppositely directed velocity-dependent force field (VF). During subsequent training in the VF, immediately after having adapted to the PF, subjects applied a force that assisted the force field for similar to 15 trials, indicating that they did not use information about the force-field direction. We concluded that the CNS uses only the position error for updating the internal model of the environmental dynamics and modifying feedforward commands. Although this strategy is not necessarily optimal, it may be the most reliable strategy for iterative improvement in performance.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.