Программные комплексы для расчета электронных свойств

реклама
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
(РОСЖЕЛДОР)
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Ростовский государственный университет путей
сообщения»
(ФГБОУ ВПО РГУПС)
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНЫЙ МАТЕРИАЛ
по теме:
«ПРОГРАММНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОННЫХ СВОЙСТВ
НАНОРАЗМЕРНЫХ КЛАСТЕРОВ»
Ростов-на-Дону 2013
Введение
Большой прогресс в разработке и использовании квантово-химических
методов, развитие вычислительной техники и программного обеспечения
привели к широкому применению методов компьютерного моделирования
различных молекулярных систем.
Благодаря
современным
методам
молекулярного
моделирования
появилась возможность создавать как объекты, имеющие принципиально
новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно
функционирующие системы, так и материалы, содержащие наноразмерные
частицы
и
обладающие
новыми
свойствами
и
эксплуатационными
характеристиками. Кроме того, методы компьютерного моделирования
молекулярных
систем
позволяют
прогнозировать
свойства
новых
материалов, а также могут быть использованы для того, чтобы понять и
охарактеризовать системы, полученные в результате экспериментов, так как
между механическими, электрическими, структурными и химическими
свойствами материала в наноразмерной области существует сильная
взаимосвязь.
Повышение интереса к моделированию структуры и электронных
свойств различных химических соединений главным образом определяется
успехами развития теоретических представлений о строении веществ и
быстрыми темпами развития компьютерных технологий. Разработанные
многими научно-исследовательскими коллективами методы квантовой
химии в сочетании с новыми вычислительными алгоритмами позволяют в
настоящее время изучать свойства, электронное и пространственное строение
молекулярных
систем
с
точностью,
сравнимой
с
данными
экспериментальных методов, и рассчитывать характеристические свойства
молекул, труднодоступные для экспериментального изучения.
По мере развития и распространения компьютерной техники, а также
численных методов квантовой химии за последние десятилетия было
2
разработано большое количество программ для моделирования молекул,
кластеров, периодических структур.
Все программные комплексы для квантово-химических расчетов
характеризуются собственным набором особенностей и эксплуатационных
возможностей.
математических
Отличия
между
методах
ними
заключаются
реализации
в
используемых
основных
алгоритмов,
ориентированность на ту или иную вычислительную платформу (вид
операционной
системы,
тип
компьютера,
возможность
проведения
параллельных вычислений и т. д.), средствах интерпретации результатов
вычисления, графических интерфейсах. В то же время все квантовохимические программы используют одинаковые подходы для поиска
волновой функции молекулы.
На сегодняшний день существует ряд компьютерных комплексов и
программ, применяемых для квантово-химических вычислений. Ниже
приводится
краткий
обзор
наиболее популярных
химических программ.
3
пакетов квантово-
GAMESS (General Atomic and Molecular Electronic Structure System)
GAMESS [1,2] – программный пакет, позволяющий рассчитывать
энергию, геометрию и структуры молекул, а также разнообразные свойства
молекул в газовой фазе и в растворе, в основном и возбужденных
состояниях. С этой целью в программе реализовано множество алгоритмов
для различных вычислительных методов квантовой химии, обладающих
различной степенью точности и вычислительной нагрузкой, начиная от
наиболее простых и быстрых полуэмпирических методов AM1 и PM3 до
наиболее точных, но требующих больших вычислительных ресурсов
MCQDPT и MP4-SPTQ. Основные возможности пакета: учет энергии
электронной корреляции на основе теории возмущений, конфигурационного
взаимодействия,
связанных
кластеров
и
функционала
плотности;
автоматическая оптимизация геометрии, поиск переходных состояний с
использованием аналитических градиентов; вычисление молекулярных
свойств, в частности дипольного момента, электростатического потенциала,
электронной и спиновой плотности. Программные модули GAMESS
поддерживают параллельный режим вычислений как на многопроцессорных
компьютерах, так и в кластерах рабочих станций. GAMESS реализован
практически на всех известных программно-аппаратных платформах.
Существует
несколько
версий
данного
программного
продукта.
Американский вариант пакета GAMESS (US) относится к числу свободно
распространяемых (некоммерческих) программ, функционирование которого
поддерживается группой Ames Laboratory. Английский вариант программы,
GAMESS (UK) [3], поддерживается группой Daresbury Laboratory.
Firefly
Firefly/PC GAMESS — программный пакет для теоретического
исследования свойств молекулярных систем. Основан на коде пакета
программ GAMESS (US) [4], и отличающийся платформозависимыми
частями программы (параллельный запуск, выделение памяти, дисковый
4
ввод-вывод), математическими функциями (например, матричные операции)
и квантово-химическими методами (метод Хартри-Фока, теория МеллераПлессе, теория функционала плотности). Ддостоинством данного пакета
является широко масштабный охват основных вычислительных квантовохимических
алгоритмов
и
реализация
для
большого
количества
процессорных архитектур и параллельных сред. С 2008 года проект
дистанцировался от GAMESS (US) и был переименован на Firefly.
Gaussian
Другой широко известной разработкой в области компьютерного
моделирования молекулярных систем является программный продукт
Gaussian [5,6], созданный фирмой «Gaussian Inc». Этот программный продукт
выделяется широким спектром реализованных квантово-химических методов
расчетов, высокой эффективностью и удобным интерфейсом пользователя
(всего реализовано более 80 методов расчетов). Пакет Gaussian позволяет
рассчитывать структуры молекул и их энергии, электронные, рамановские и
колебательные спектры, поверхности потенциальной энергии, разнообразные
свойства молекул в газовой фазе и растворе в основном и возбужденных
состояниях и др. В данном программном продукте реализованы методы учета
корреляционной энергии: возможен расчет энергии и оптимизация с
аналитическими градиентами для методов теории возмущений, связанных
кластеров, конфигурационного взаимодействия, функционала плотности,
многоконфигурационного
метода
позволяет
вычисления
выполнять
самосогласованного
на
поля.
Gaussian
высокопроизводительных
вычислительных кластерах. В последних версиях программы имеется
возможность моделирования сверхбольших молекулярных систем, благодаря
методике разбиения молекул ONIOM. К недостаткам комплекса Gaussian
можно отнести относительно медленную скорость работы, а также высокие
предъявляемые
требования
к
аппаратному
распространяется на коммерческой основе.
5
обеспечению.
Программа
Accelrys Materials Studio
Среди
программных
продуктов
нацеленных
на
моделирование
больших молекулярных систем можно также выделить комплекс Materials
Studio [7]. Пакет Materials Studio содержит более 30 модулей с различными
функциональными возможностями. Materials Studio отличается удобным
интерфейсом для пользователя и предоставляет возможность проводить
обмен
изучаемыми
моделями
между
различными
вычислительными
модулями, которые способны проводить расчеты свойств моделируемых
структур
в
рамках
параметризованных
квантово-механических,
эмпирических
и
полуэмпирических,
классических
представлений.
Разработчиком этого программного комплекса является американская
компания Accelrys Software Inc., включающая в себя: Molecular Simulations
Inc. (MSI), Synopsys Scientific Systems, Oxford Molecular, the Genetics
Computer Group (GCG), and Synomics Ltd.
Пакет Materials Studio предназначен для выполнения теоретических
исследований в области химии, материаловедения, нанофизики. Materials
Studio предоставляет большой набор инструментов квантовой механики, для
построения и редактирования молекул и периодических структур, в том
числе по методу функционала плотности, линейного масштабирования DFT,
QM/ММ и полуэмпирических инструментов. Важным элементом пакета
является также возможность моделирования периодических систем и
поверхностей.
Имеется
интерфейс
с
комплексом
Gaussian.
Данный
программный продукт является коммерческим.
Abinit
Пакет программ Abinit также является одним из наиболее популярных
и
доступных
инструментов
для
расчѐта
электронного
спектра,
пространственной структуры и макроскопических свойств различных систем,
в том числе больших органических молекул и наночастиц, с высокой
вычислительной
сложностью
[8,9].
6
Кроме
встроенной
поддержки
параллельных вычислений (на базе MPI), в Abinit возможна параллелизация
выполняемых задач по данным. Программный продукт Abinit обеспечивает
решение таких теоретических задач, как вычисление полной энергии,
плотности заряда, электронной структуры атомных систем (молекулы и
периодические структуры) и других физико-химических свойств соединений.
Для решения этих задач используется приближение локальной плотности с
применением псевдопотенциалов и различных базисов: плоских волн,
присоединѐнных плоских волн. Кроме того, с помощью Abinit можно решать
задачи оптимизации структуры молекул и кристаллов, задачи молекулярной
динамики, а также рассчитывать некоторые макроскопические свойства
исследуемых объектов: динамические, диэлектрические, механические,
магнитные, термодинамические и другие характеристики. Программный
пакет Abinit распространяется на некоммерческой основе.
CRYSTAL
CRYSTAL [10] – является еще одним программным пакетом для
расчетов
методом
DFT.
Используется
также
ограниченный
и
неограниченный метод Хартри-Фока, гибридные методы. Пакет написан в
Университете
Турина,
распространяется
на
коммерческой
основе.
Программный продукт предназначен для расчета свойств и электронных
волновых функций периодических систем, колебательного и фононного
спектра,
диэлектрической
проницаемости,
оптических
и
других
характеристик кристаллов.
HyperChem
HyperChem – коммерческий программный продукт, предназначенный
для задач квантово-химического моделирования атомных структур. Он
включает в себя программы, реализующие методы молекулярной механики,
квантовой химии и молекулярной динамики. Силовые поля, которые могут
использоваться в HyperChem – это ММ+ (на базе ММ2), Amber, OPLS и BIO+
(на базе CHARMM) [11,12]. Реализованы полуэмпирические методы:
7
расширенный метод Хюккеля, CNDO, INDO, MINDO/3, MNDO, AM1, PM3,
ZINDO/1, ZINDO/S. Представлены неэмпирические методы расчета и методы
функционала
плотности.
Комплекс
обладает
развитыми
средствами
визуализации, которые могут использоваться как при подготовке входной
информации (структуры молекулы), так и при анализе результатов, например
рассчитанных характеристик ИК и УФ спектров. HyperChem имеет
интерфейс с другими квантовохимическими программами (Brookhaven PDB,
Sybyl MOL2, MOPAC). К достоинствам данной программы можно отнести
обширный каталог молекулярных фрагментов, облегчающих задание
исходной геометрии, а также возможность ее контроля по мере выполнения
расчета. В силу того, что HyperChem не приспособлен для расчета больших
молекулярных структур и может использовать много времени и ресурсов
ЭВМ из-за развитого интерфейса, этот программный продукт используют
преимущественно в учебном процессе. К недостаткам пакета Hyperchem
можно
отнести
неэффективное
использование
ресурсов
компьютера,
приводящее к значительным временным затратам; ограниченный выбор
базисных наборов и методов учета электронной корреляции; учет симметрии
возможен только при задании исходной геометрии в виде Z-матрицы, что
значительно снижает ценность интерактивного построения молекулярной
структуры.
MOPAC
Среди самых быстрых и малотребовательных квантово-химических
программ для полуэмпирических расчѐтов можно выделить разработанный
Дж.
Стюартом
(J.J.P.
распространяемый
применяемый
при
(для
Stewart)
комплекс
некоммерческих
расчете
электронной
MOPAC
целей)
-
пакет
структуры
свободно
программ,
основного
и
возбужденных состояний атомов, молекул и твердых тел. В MOPAC
реализованы полуэмпирические методы RM1, PM6, MNDO,AM1 и PM3[1317]. Программный продукт MOPAC позволяет проводить расчеты энергии
8
молекулярных орбиталей, теплоты образования, производных от энергии
молекулы по отношению к изменению молекулярной геометрии. На этой
основе вычисляются колебательные спектры, термодинамические параметры,
эффекты изотопного замещения и силовые константы для молекул,
радикалов, ионов, а также структура переходных состояний на поверхности
потенциальной энергии. Последние версии пакета включает программу
MOZYME для исследования электронной структуры макромолекул и
позволяют рaссчитывaть большие (до 15 000 атомов) молекулярные системы
на основе использовaния локaлизовaнных молекулярных орбитaлей.
Кроме приведенных выше программных продуктов, распространяемых
разработчиками как бесплатно, так и на коммерческой основе, существует
также ряд других, отличающихся по фунциональности и содержанию
алгоритмов квантово-химических расчетов (ADF, ORCA, Q-Chem, VASP,
DL-POLY, GROMACS, TINKER, SPARTAN, NWChem, NanoEngineer,
COSMOS, Amber, AMPAC, TURBOMOLE, MPQC, Schrödinger Suite и др.).
Результат выбора того или иного программного продукта определяется
спецификой конкретной задачи, а также вычислительными возможностями
используемых ЭВМ.
9
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1
http://www.msg.ameslab.gov/GAMESS/GAMESS.html
2
Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A., Elbert S.T., Gordon M.S.,
Jensen J.H., Koseki S., Matsunaga N., Nguyen K.A., Su S.J., Windus T.L., Dupuis
M., Montgomery J.A. // J. Comput. Chem. 1993. 14. P. 1347.
3
http://www.dl.ac.uk/TCSC/QuantumChem/Codes/GAMESS-UK/
4
http://classic.chem.msu.su/gran/gamess/index.html
5
http://www.gaussian.com
6
Квантово-химические расчеты в программе GAUSSIAN по курсу
«Физика низкоразмерных структур». Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2012, 100
с.
7
http://www. accelrys.com
8
Моделирование наноструктур на основе применения программных
пакетов CRYSTAL и ABINIT. ИОНЦ «Нанотехнологии и перспективные
материалы». Екатеринбург, 2008 г.
9
http://www.abinit.org/documentation/helpfiles/forv5.8/tutorial/lesson_a
nalysis_tools.html
10
http://www.crystal.unito.it
11 http://www.hyper.com
12
Зеленцов СВ. Введение в современную квантовую химию:
Учебное пособие. Нижний Новrород: 2006. 128 с.
13
Аминова Р.М. Основы современной квантовой химии. Учебное
пособие для студентов и магистрантов физического и химического
факультетов Казанского государственного университета. Казань 2004, с.
14
Блатов
В.А.,
Шевченко
А.П.,
Пересыпкина
Е.В.
Б
68
Полуэмпирические расчетные методы квантовой химии: Учебное пособие.
Изд. 2-е. Самара: Изд-во «Универс-групп», 2005. 32 с.
15
http://openmopac.net
10
16
Аминова Р.М. Расчеты электронного строения и свойств молекул
полуэмпирическими методами квантовой химии (методическое пособие для
работы на компьютере). Учебное пособие для студентов. Казань 1997, 71 с.
17
J.J.P.Stewart. MOPAC manual.
11
Скачать