Программные комплексы для расчета электронных свойств
advertisement
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
