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1、量子化学计算方法量子化学计算方法 1 课程主要内容 一 有限尺度体系 分子 团簇等 电子结构计算 方法 G03程序的使用 二 无限周期体系 一维链状化合物 二维层状 化合物或固体表面 三维固体体相 电子结 构计算方法 VASP CASTEP程序的使用 主要参考资料 G03用户手册或G03的帮助文件 相应网址 VASP程序用户手册 2 简 介 量子化学软件目的在于将量子化学复杂计算 过程程序化 从而便于人们的使用 提高计算 效率并具有较强的普适性 绝多数量子化学程序是采用Fortran语言编 写的 Fortran 77或Fortran 90 通常由上万行 语句组成 3 软件分类 计算原理 基于从
2、头算或第一性原理方法 ab initio first principles Gaussian ADF Dalton Gamess Crystal VASP Wien Dmol Castep等 基于半经验或分子力学方法 MOPAC EHMO NNEW3等 研究对象 有限尺度体系 分子 簇合物等 Gaussian ADF Dalton Gamess MOPAC EHMO等 无限周期重复体系 晶体 固体 表面 链状聚合物等 Crystal NNEW3 VASP Wien等 4 本研究室目前常用的量化软件 Gaussian 03 由Pople等人编写 经过几十年的发展和完善 该软件已成为国际上公认的
3、计算结果具有较高 可靠性的量子化学软件 它包含从头算 半经验 以及分子力学等多种方法 可适用于不同尺度的 有限体系 除了部分稀土和放射性元素外 它可 处理周期表中其它元素形成的各种化合物 Crystal 09 该软件由意大利都灵大学理论化学研究所开发 采用基于原子轨道线性组合的从头算方法来研究 固体及表面的电子结构 VASP 该软件由奥地利维也纳大学开发 采用基于平面波 基组的密度泛函理论来研究固体及表面的构型以及 动力学过程 CASTEP MS软件模块之一 与VASP程序类似 Dmol MS软件模块之一 主要用于有限尺度体系电子结 构研究 5 采用理论方法要解决的问题 当前的研究状况 包括实
4、验和理 论研究现状 已解决和尚未解决 的问题 一般计算过程 化合物构型的确定 具体途径包 括 利用实验测定结果 或者采 用软件进行构造等 根据现有的计算条件 模型的大 小以及所要解决的问题 选择可 行的计算方法和相应程序 对计算结果进行加工和提取有用 的信息 一般包括构型描述 能量分析 轨道组成 电荷和成 键分析等 并与实验结果比较 6 计算模型和方法的选取是保证计算结果可靠性的关键 理想的情况是 1 所选取的计算模型与实际情形一致 2 采用 高级别的计算方法 但是 由于受到计算软硬件的限制 在多数 情况下 很难同时做到上述两点要求 实际操作中 当计算模 型较大时 只能选择精确度较低的计算方法
5、 只有对较小的模 型才能选取高级的计算方法 因此 当确定了一种计算模型和方法后 最好对其进行验证 以保证计算结果的可靠性 7 假设当前的研究对象是化合物A 可通过下列途径进行验证 1 与A化合物现有实验结果之间的比较 2 若无实验方面的报道 可对与A类似的化合物B进行研究 此 时以B的实验结果作为参照 3 当上述方法行不通时 可以采用较大模型和较为高级的计算 方法得到的计算结果作为参照 该方法主要用于系列化合物 的研究 如对A1 A2 A3 先用大模型和基组对A1进行研究 然后以该结果为参照 确定计算量适中的模型和方法并应用 于A1 A2 A3 8 Gaussian03程序的使用 G03的安装
6、和运行 G03的功能和程序结构 输入文件的编写与主要功能的使用 补充说明 9 G03程序的安装和运行 1 G03程序的安装 1 确定运行平台 Windows或Linux 2 对Windows平台 直接运行setup exe 其余步骤按提示操作即可 也可将其它机 器上将已安装好的G03直接拷贝到本机 但需设置运行环境 对Linux平台 a 若G03是经过压缩过的 文件结尾为gz 用gunzip命令解压 例如 gunzip g03 linux tar gz b 若G03是打包的 文件结尾为tar 用tar命令将其释放 例如 tar xvf g03 linux tar 10 c 设置环境变量 以c
7、shell为例 在用户根目录下的 cshrc文件 添加下列内容 也可在执行g03前逐条运行 setenv g03root home USER 设置g03所在目录 根据实际情况修改 source g03root g03 bsd g03 login 激活g03运行时所需环境变量 setenv GAUSS SCRDIR home USER g03 tmp 设置临时目录 d 运行bsd install 自动配置并行计算环境 注 对Linux平台 运行g03时 需注意权限问题 可用chmod 命令更改权限 将所安装的g03对所有用户开放 对于多节点并行 计算还需保证各节点之间能无密码互相访问 11 2
8、G03程序的运行 1 对Windows平台 a 对于刚安装好的g03 先检查环境设置情况 12 左侧至上而下依次为 默认的文本编辑器 g03可执行文件所在目录 计算中间结果存放目录 缺省的计算结果存储目录 缺省的输入文件 所在目录 PDB分子构型浏览器 右侧至上而下依次为 设置显示属性 如背景色等 设置文本编辑器 属性 计算过程控制属性 尤其是批作业过程 Default Rou文件的编 辑 该文件内容为默认情况下 计算所花费的内存及硬盘大小 需设置正确 否则运行将出错 13 b 编写或打开g03输入文件 点击RUN 并给定输出 文件名后开始运行 14 c g03运行过程的控制 最上行按钮的功能
9、从左至右依次为 开始运行g03 暂停进程 运行至下一模块 link 时暂停进程 重新启动进程 清除进程 停止运算 编辑批作业 运行完 当前任务后 暂停批作业 停止批作业的运算 观看计算结 果 打开文本编辑器 不要随意点击 15 交换机 计 算 节 点 计 算 节 点 计 算 节 点 网 关 用户终端 基于Linux系统的计算拓扑结构 内部网 高速 外部网 普通 Window系统 Linux系统 2 Linux平台 16 说明 网关作用类似于防火墙 用于保证内部网的安全和稳定 作为网关的计算机通常配有2个网卡 分别用于外部网和 内部网的连接 本实验室网关机子IP地址 219 229 135 21
10、0 非固定IP 可能发生改变 计算作业提交过程 a 用户登录网关 通过SSH远程登录软件实现 SSH软件 SSHSecureShellClient 3 2 9 exe 可从网络上免费 下载 安装过程与通常软件安装类似 安装完毕后 设置 网关外部网的IP地址以及账号名即可使用 17 点击Profiles设置IP地址及用户名 18 b 从网关登录到计算节点 采用telnet命令实现 例如 telnet 134 14 83 5 19 c Linux常用命令 1 ls 显示文件清单 相当于DOS下的dir命令 文件属性所属用户大小 创建时间 注 Linux系统下字符是大小写区分的 20 2 cp 复制
11、文件命令 相当于DOS下的copy命令 cp rf 3 mkdir 创建目录 相当于DOS下的md命令 4 rm 删除文件或目录 相当于DOS下的del命令 删除文件 删除目录 21 5 top 显示当前进程和CPU以及内存使用情况 6 kill 终止某个进程 格式为 kill PID号 PID号由top命令可得 受权限限制 22 7 pwd 显示用户当前所在目录 格式为 pwd 8 cat 显示文件内容 格式为 cat 文件名 9 grep 一般用于从某个或多个文件中搜索某串字符 格式为 grep 字符串 文件名 例 grep F vasp out 10 scp 用于网关与内部网内各计算节点
12、或外部网络之间 的文件传输 格式为 从其它到网关 scp 文件 用户名 网关IP 目录 例 scp vasp out zyf zyf 2400 trans 从网关到其它 scp 用户名 网关IP 目录 文件名 目标目录 例 scp zyf zyf 2400 trans vasp out 该命令也可用于同一节点不同用户之间的文件传输 23 11 vi 文本编辑命令 该命令常用但较为复杂 它有2种模式 命令模式和插入 模式 二者之间关系为 i Esc command mode insert mode command mode 在命令模式下 可实现以下功能及其对应按键 delete a charac
13、ter x delete a line dd search a string 向后 向前 save the change w save the change and quit wq quite without saving q page down Ctrl d page up Ctrl u go to file end shift g go to n line n 24 12 tar 文件打包命令 适用文件扩展名为tar 该命令用于多个文件 目录的打包或解包 常用格式有 文件打包 tar cvf 要打包成的文件名 要打包的文件 例 tar cvf model tar 生成 model tar文
14、件 解包 tar xvf 要解包的文件名 例 tar xvf model tar 13 gzip gunzip 文件压缩 解压命令 文件扩展名为gz 例 gzip model tar 生成 model tar gz 文件 gunzip model tar gz 生产model tar文件 14 du 察看当前目录所占硬盘空间大小 类似命令df 例 du h df h 察看硬盘各分区大小 25 15 rsh或ssh 用于从某个节点登录到其它节点 例 rsh c0102 登录到c0102节点上 为当前用户名 rsh zyf c0102 与上相同 但用户名为zyf ssh c0102 ssh zyf
15、 c0102 根据rsh或ssh服务的具体设置来确定是否需要提供密码 16 su 从当前用户转变为超级用户或其它用户 例 su 转变为超级用户 su zyf 将用户转变为zyf用户 17 ifconfig 察看网络设置 18 dmesg 察看系统日志 19 adduser passwd 26 d 运行g03过程 1 编写输入文件 用vi命令编写或在Windows下编写完毕后ftp至Linux系统 vi test gjf 2 运行g03 g03输出文件名 4 31G H Ne 6 31G H Kr 6 311G H Kr D95 H Cl 除了Na Mg 61 说明 ii 基组的大小决定了基函数
16、的数目 即体系的原子轨道 数目 因此可从所选择的基组来推断MO数目 sto 3g 为最小基组 每个原子轨道用三个高斯函数 GF 来描述 原子轨道数即为基函数数目 如O 1s2s2p 原子轨道数为1 1 3 5 GF数目为3 5 15 3 21g 为劈裂 split 型基组 其含义是 内层的每个AO 用3个GF描述 价层的AO劈裂为两组 分别用 2个和1个GF描述 显然 3 21g的GF数与sto 3g是相同的 62 如O 内层为1s AO数为1 GF数为3 价层2s的AO数为2 1 2 GF数为2 1 3 价层2p的AO数为2 3 6 GF数为3 2 3 1 9 共1 2 6 9个AO和3 3 9 15个GF Mg 1s 2s 2p 3s 3p 内层1s 2s和2p共有1 1 3 5个AO和3 5 15个GF 价层3s有2个AO和3个GF 价层3p有6个AO和9个GF 共5 2 6 13个AO和15 3 9 27个GF 6 31g 为劈裂型 split 基组 其含义与3 21g类似 内层的 每个AO用6个GF描述 价层的AO劈裂为两组 分 别用3个和1个GF描述 63 如O 内层为1s
