Representations of energy landscapes by sublevelset persistent homology: An example with n-alkanes

能源景观 最大值和最小值 持久同源性 同源(生物学) 拓扑(电路) 计算机科学 拓扑数据分析 正确性 理论计算机科学 数学 组合数学 生物 算法 生物化学 基因 数学分析
作者
Joshua Mirth,Yanqin Zhai,Johnathan Bush,Enrique Alvarado,Howie Jordan,Mark Heim,Bala Krishnamoorthy,Markus J. Pflaum,Aurora E. Clark,Yang Zhang,Henry Adams
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:154 (11): 114114-114114 被引量:18
标识
DOI:10.1063/5.0036747
摘要

Encoding the complex features of an energy landscape is a challenging task, and often, chemists pursue the most salient features (minima and barriers) along a highly reduced space, i.e., two- or three-dimensions. Even though disconnectivity graphs or merge trees summarize the connectivity of the local minima of an energy landscape via the lowest-barrier pathways, there is much information to be gained by also considering the topology of each connected component at different energy thresholds (or sublevelsets). We propose sublevelset persistent homology as an appropriate tool for this purpose. Our computations on the configuration phase space of n-alkanes from butane to octane allow us to conjecture, and then prove, a complete characterization of the sublevelset persistent homology of the alkane CmH2m+2 Potential Energy Landscapes (PELs), for all m, in all homological dimensions. We further compare both the analytical configurational PELs and sampled data from molecular dynamics simulation using the united and all-atom descriptions of the intramolecular interactions. In turn, this supports the application of distance metrics to quantify sampling fidelity and lays the foundation for future work regarding new metrics that quantify differences between the topological features of high-dimensional energy landscapes.
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