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Gaussian量化模擬入門教程（二）：實(shí)例操作之水分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
來(lái)源：本站 時(shí)間：2020-10-16 14:18:45 瀏覽：12161次

注：在未特別說(shuō)明的情況下，本文中涉及到的所有量化模擬實(shí)例均是在本地電腦（Windows系統(tǒng)）建模并生成輸入文件，在服務(wù)器（Linux系統(tǒng)）中進(jìn)行計(jì)算，最后在本地電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

水分子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化：本文以針對(duì)水分子（H2O）的結(jié)構(gòu)優(yōu)化為例，介紹利用Gaussian軟件進(jìn)行量化模擬的常規(guī)流程。

1、建模

在GaussView軟件中畫出一個(gè)水分子的結(jié)構(gòu)模型，如下圖所示。GaussView的操作非常簡(jiǎn)單，經(jīng)過自行簡(jiǎn)單摸索即可快速上手。由于是手工建模，所以結(jié)構(gòu)（鍵長(zhǎng)、鍵角）必然不是精確且合理的，但只要與真實(shí)情況接近即可。

Gaussian量化模擬軟件演示參考圖1


2、生成輸入文件并修改其內(nèi)容

將該模型保存為H2O.gjf文件。操作流程：File—Save—命名為H2O.gjf并保存至預(yù)建的文件夾中，即得到了一個(gè)初步的輸入文件。隨后用Notepad++軟件打開H2O.gjf。為了任務(wù)的順利進(jìn)行及計(jì)算合理性，需要對(duì)輸入文件按照下圖內(nèi)容進(jìn)行修改。

*請(qǐng)注意所有命名中不要出現(xiàn)中文字符，不要出現(xiàn)空格?？崭窨捎孟聞澗€代替，例如“H2O_O2.gjf”，“Graphene_NH3.gjf”。

Gaussian量化模擬軟件演示參考圖2

接下來(lái)，我們以上圖為例介紹Gaussian輸入文件（.gjf）中所包含的信息，主要涉及到5部分內(nèi)容：

① 計(jì)算資源分配及輸出結(jié)果保存部分

“%chk=”命令用于指定計(jì)算輸出的.chk文件的命名（H2O.chk）以及保存路徑（./ 在Linux系統(tǒng)中代表當(dāng)前文件夾，當(dāng)然也可以寫上完整路徑）。該路徑需實(shí)際存在，否則在后續(xù)計(jì)算過程中會(huì)報(bào)錯(cuò)。

事實(shí)上這一部分內(nèi)容可以根據(jù)實(shí)際需要寫的更為詳細(xì)，例如：

%nproc=4

%mem=3000MB

%chk=./H2O.chk

%rwf=./H2O.rwf

表示本次模擬任務(wù)使用4核運(yùn)算，占用內(nèi)存3000 MB。計(jì)算所得的.chk和.rwf文件分別命名為H2O.chk和H2O.rwf，均保存在當(dāng)前文件夾下。

② 任務(wù)的計(jì)算方法和內(nèi)容部分

“#”指以正常形式輸出計(jì)算結(jié)果。若希望以更為詳細(xì)的形式輸出結(jié)果，可寫作“#P”，若希望以精簡(jiǎn)形式輸出，可寫作“#T”。

“b3lyp”決定本次模擬采用DFT方法并選用b3lyp泛函進(jìn)行計(jì)算。泛函應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇，此處給出的較為通用且精度尚可的雜化泛函。關(guān)于泛函的選用，可參考sob老師的文章“http://sobereva.com/272”。若希望采用非DFT的其他方法進(jìn)行計(jì)算，此處可根據(jù)需要修改方法關(guān)鍵詞。例如，使用Hatree-Fock方法，此處應(yīng)為“hf”。

“6-31g*”指本次模擬所用的基組。無(wú)論是DFT還是HF方法的模擬，均需選擇合適的基組。此處給出的是較為通用且精度尚可的基組。關(guān)于基組的選用，可參考sob老師的文章“http://sobereva.com/336”。

“opt”指本次模擬的具體任務(wù)為結(jié)構(gòu)優(yōu)化。Gaussian的關(guān)鍵詞較多，除opt外用的較多的包括irc（反應(yīng)路徑）、freq（振動(dòng)分析）、scan（勢(shì)能面掃描）、scrf（使用隱式溶劑）等。這些命令可根據(jù)情況連用，例如“opt freq”表示首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，隨后對(duì)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)分析。若此處不給任何關(guān)鍵詞，則默認(rèn)進(jìn)行單點(diǎn)能計(jì)算。

③ 模擬任務(wù)命名

可以修改本次模擬任務(wù)的命名，但通常沒必要。根據(jù)輸入、輸出文件的名字足以識(shí)別任務(wù)。

④ 體系的總電荷量和自旋多重度

“0”是指該計(jì)算模型的總電荷量為0。該值根據(jù)實(shí)際計(jì)算情況修改即可，例如計(jì)算一個(gè)Cu2+時(shí)為2，計(jì)算苯分子時(shí)為0，計(jì)算一個(gè)SO42-時(shí)為-2。

“1”是指該計(jì)算模型的自旋多重度為0，其計(jì)算方法為該體系中“alpha電子數(shù)Nα-beta電子數(shù)Nβ+1”。該值需根據(jù)體系實(shí)際情況結(jié)合化學(xué)常識(shí)進(jìn)行判斷，在無(wú)法判斷的時(shí)候也可通過預(yù)測(cè)試來(lái)得出合理的值。若該值設(shè)定不合理，則計(jì)算出來(lái)的結(jié)構(gòu)并非基態(tài)。這一部分內(nèi)容會(huì)在后文中詳細(xì)介紹，此處僅給出一個(gè)簡(jiǎn)單的判斷標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于大多數(shù)不包含過渡金屬的基態(tài)分子，例如水、苯、SO42-、常規(guī)有機(jī)體系等均為閉殼層體系，其自旋多重度為1。對(duì)于大多數(shù)含有過渡金屬的結(jié)構(gòu)、自由基結(jié)構(gòu)、激發(fā)態(tài)，如二茂鐵、基態(tài)氧分子、羥基自由基等，均為開殼層體系，自旋多重度大于1，需做進(jìn)一步判斷。

⑤ 模型

該體系中包含的1個(gè)O原子和2個(gè)H原子，以及這三個(gè)原子各自的笛卡爾坐標(biāo)。

⑥ 原子間的連接方式

對(duì)比修改前后的輸入文件，可以看到我們刪除了第2行中“geom=connectivity”字樣和11-13行的內(nèi)容。這些字樣代表原子之間的連接關(guān)系，對(duì)于量化模擬毫無(wú)意義，故而可直接刪掉。這是由于量化模擬會(huì)在計(jì)算過程中根據(jù)原子各自電子云間的交疊情況自主判斷成鍵形式，因此軟件并不關(guān)心輸入模型中的化學(xué)鍵。換言之，在建模時(shí)，水分子中O和H之間畫成單鍵抑或三鍵，對(duì)于計(jì)算結(jié)果沒有任何影響。

*補(bǔ)充說(shuō)明：輸入文件.gjf內(nèi)容的最末尾務(wù)必保證存在空行，否則在計(jì)算過程中會(huì)報(bào)錯(cuò)。


3、在Linux服務(wù)器中進(jìn)行模擬

通過SSH遠(yuǎn)程連接服務(wù)器（圖中使用Xshell和Xftp軟件），Xftp用于在本地電腦和服務(wù)器間傳輸文件。在服務(wù)器端選擇合適的路徑建立文件夾并重命名為“H2O_opt”后進(jìn)入該文件夾，將本地電腦端的H2O.gjf文件傳輸至服務(wù)器端。

Gaussian量化模擬軟件演示參考圖3

接下來(lái)在Xshell端輸入“cd /home/gauss/user/simulation/H2O_opt”并回車，進(jìn)入該文件夾，隨后輸入“g09 < H2O.gjf > H2O.out”命令即可開始運(yùn)算。計(jì)算過程中注意不要中斷Xshell的SSH遠(yuǎn)程連接，否則任務(wù)會(huì)被強(qiáng)制中斷。為了避免這種狀況，在提交任務(wù)運(yùn)算時(shí)可將命令寫為“nohup g09 < H2O.gjf > H2O.out &”。隨后“ctrl+c”切出，并用“exit”命令即可關(guān)閉SSH遠(yuǎn)程連接而不導(dǎo)致計(jì)算任務(wù)中斷。

Gaussian量化模擬軟件演示參考圖4

當(dāng)計(jì)算開始后，服務(wù)器端即立刻生成H2O.out和H2O.chk文件并根據(jù)計(jì)算進(jìn)度不斷更新其內(nèi)容。在計(jì)算過程中，可通過“tail –f H2O.out”命令實(shí)時(shí)讀取H2O.out文件的更新情況（僅顯示最末尾的數(shù)行內(nèi)容并實(shí)時(shí)更新），監(jiān)控計(jì)算任務(wù)的進(jìn)度。也可以隨時(shí)將H2O.out文件傳輸回本地電腦查看計(jì)算進(jìn)展。若希望中斷該任務(wù)，可通過“kill xxx”命令殺掉該任務(wù)。其中xxx為該任務(wù)的pid，可在Xshell中通過“top”命令查看。

Gaussian量化模擬軟件演示參考圖5


4、導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果文件

計(jì)算結(jié)束后，H2O.out文件可直接傳輸回本地電腦進(jìn)行查看，H2O.chk文件則需要先進(jìn)行處理。這是由于.chk為二進(jìn)制文件，無(wú)法跨平臺(tái)閱讀。若直接將H2O.chk文件傳輸至本地電腦后以Notepad++軟件打開，則顯示為亂碼。一般處理方法是在服務(wù)器中通過formchk命令，將文件轉(zhuǎn)化為.fchk，再將其傳輸至本地電腦，即可直接閱讀或通過Multiwfn等程序進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

Linux下的轉(zhuǎn)換方法：formchk H2O.chk，即可生成H2O.fchk文件。

Windows下可直接使用Gaussian軟件自帶的Utilities-FormChk模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)化，生成對(duì)應(yīng)的.fch文件。

Gaussian量化模擬軟件演示參考圖6


5、輸出文件.out的查看

打開H2O.out文件后托至文檔末尾，可以看到一句名人名言以及計(jì)算耗時(shí)等信息，表明計(jì)算任務(wù)順利結(jié)束。若任務(wù)失敗，則會(huì)提示任務(wù)失敗并中斷，此時(shí)需根據(jù)報(bào)錯(cuò)信息來(lái)排查可能的問題并修改輸入文件.gjf，重新進(jìn)行計(jì)算。

Gaussian量化模擬軟件演示參考圖7

將H2O.out或H2O.fchk用GaussView打開即可觀看優(yōu)化的模型。此處應(yīng)注意，若直接將H2O.out文件用鼠標(biāo)拖至GaussView中打開，則只會(huì)顯示優(yōu)化所得到的最終模型。若想要觀看整個(gè)優(yōu)化過程中分子結(jié)構(gòu)的變化情況，需按如下步驟操作：GaussView—File—Open—選中H2O.out或H2O.fchk—勾選“Read Intermediate Geometries”—打開，如下圖所示。在打開的窗口中即可逐幀觀察優(yōu)化過程中H2O分子的結(jié)構(gòu)變化。

Gaussian量化模擬軟件演示參考圖8

此外，在打開的窗口中點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵—Results即可選擇查看部分計(jì)算信息。例如Summary中包含了當(dāng)前幀的基本信息（電子自旋、能量等），Optimization可顯示優(yōu)化過程中體系的能量和平均受力（RMS）變化情況。Charge Distribution中可以查看優(yōu)化后的分子（即最后一幀）密立根電荷布局情況（Gaussian在進(jìn)行DFT計(jì)算時(shí)會(huì)自行對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化所得的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)進(jìn)行密立根電荷計(jì)算，無(wú)需在輸入文件中添加對(duì)應(yīng)關(guān)鍵詞）。

灰色的選項(xiàng)意味著我們的計(jì)算并未包括相關(guān)的信息。假如我們的輸入文件中任務(wù)關(guān)鍵詞為“opt freq”，即在分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)束后進(jìn)行振動(dòng)分析。那么此時(shí)，Results欄中的“Vibrations”可選，從中可以分析分子的所有振動(dòng)形式及對(duì)應(yīng)的紅外光譜出峰位置，進(jìn)而生成該分子的理論紅外光譜。


6、檢查點(diǎn).fchk文件的使用

打開Multiwfn軟件（Version 3.8），將H2O.fchk文件用鼠標(biāo)拖入，回車即可加載該文件，顯示如下圖所示。接下來(lái)根據(jù)提示輸入數(shù)字即可輸出或顯示希望的數(shù)據(jù)。Multiwfn分析功能極為強(qiáng)大，且配有詳細(xì)的說(shuō)明書和數(shù)據(jù)處理案例，可根據(jù)需要參考sob老師提供的案例使用。

Gaussian量化模擬軟件演示參考圖9


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