MaterialsStudio培訓(xùn)教程包你學(xué)會(huì)請(qǐng)將這一系列全看完一定有收獲學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1MaterialsStudio培訓(xùn)教程包你學(xué)會(huì)請(qǐng)將這培訓(xùn)教程包你學(xué)會(huì)請(qǐng)將這一系列全看完一定有收獲一系列全看完一定有收獲第一頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。目的: 介紹如何使用 DMol3 和 Reaction Preview 工具進(jìn)行過渡態(tài)搜索的計(jì)算。 對(duì)簡(jiǎn) 單反應(yīng)，這種方法是有效的。模塊: Materials Visualizer, DMol3前提: 用局域內(nèi)坐標(biāo)對(duì)固體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。用LST/QST 搜索過渡態(tài)背景 對(duì)任何反應(yīng)的勢(shì)能面的探索都要求知道反應(yīng)進(jìn)程中每一步的結(jié)構(gòu)和能量，或者動(dòng)力學(xué)和熱動(dòng)力學(xué)的快照(snapshots)。特別重要的是決定反應(yīng)速率的那一步，這通常需要找到那些難

2、以捕獲的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)。有一些方法對(duì)找到過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)是很有效果的，其中比較知名的就是線性同步度越(linear synchronous transit, LST)和二次同步度越(quadratic synchronous transit,QST)。 本例中，我們將介紹DMol 中的LST /QST 工具的使用，將會(huì)看到如何使用LST/QST 搜索乙烯醇轉(zhuǎn)變?yōu)橐胰┑腍轉(zhuǎn)移反應(yīng) 的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)。CH2CHOH CH3CHO本例包括以下內(nèi)容： 1. 建立一個(gè)計(jì)算模型 2. 優(yōu)化分子結(jié)構(gòu) 3.定義原子對(duì) 4.用LST/QST 的方法計(jì)算過渡態(tài) 5.優(yōu)化過渡態(tài)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第1頁(yè)/共38頁(yè)第二頁(yè)，編輯于星期六：十九

3、點(diǎn) 十五分。1.建立一個(gè)計(jì)算模型選擇 creating a new project，建立名為vinylOH 的project 。 在本單元中，你要在兩個(gè)不同的3D Atomistic 界面中建立反應(yīng)物和產(chǎn)物模型。第一步就是打開一個(gè)新的3D Atomistic界面，構(gòu)建反應(yīng)物乙烯醇(vinyl alcohol)。點(diǎn)擊工具欄里的New button，選擇3D Atomistic。在Sketch 工具條上，點(diǎn)擊Sketch Atom 按鈕 。 將鼠標(biāo)移至3D Atomistic界面，連續(xù)點(diǎn)擊三次鼠標(biāo)，畫三個(gè)連接的碳原子。按一下鍵盤上的ESC 鍵。第2頁(yè)/共38頁(yè)第三頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。

4、改為球棍顯示在3D Atomistic上 ，點(diǎn)擊選擇第三個(gè)C 原子。點(diǎn)擊Modify Element 按鈕上的選擇箭頭，選擇氧元素。剛才被選的原子由碳原子變成了氧原子。點(diǎn)擊碳-碳鍵一次，選中。點(diǎn)擊Sketch工具條上的Modify Bond Type 鍵 ，選擇雙鍵，從而把單鍵變成雙鍵。點(diǎn)擊別處，取消取消選擇碳-碳鍵。第3頁(yè)/共38頁(yè)第四頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。按下Adjust Hydrogen 按鈕 ，點(diǎn)擊一次Clean 按鈕 ，拖動(dòng)結(jié)構(gòu)模型，使得和下圖相似，以球棍模型顯示。在Project瀏覽器內(nèi)，右擊3D ，選擇Rename，將其重新命名為。在3D Viewer上選擇Selec

5、tion按鈕 ， 雙擊乙烯醇結(jié)構(gòu)中的任何一個(gè)原子。這樣乙烯醇的每一個(gè)原子都被選上，顏色顯示為黃色。第4頁(yè)/共38頁(yè)第五頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。* 在這個(gè)新的3D 界面文件中，點(diǎn)擊O-H 鍵。按下鍵盤上的DELETE 鍵。點(diǎn)擊Sketch Atom 按鈕 ，然后是孤立的H 原子，以及亞甲基團(tuán)中的C 原子。如果畫分子有問題，則刪除3D 上的原子，再進(jìn)行CTRL+C、CTRL+V。* 在鍵盤上按下CTRL + C。選中的結(jié)構(gòu)文件被復(fù)制到了剪貼板。* 用File / New打開一個(gè)新的3D Atomistic 文件，按下鍵盤上的CTRL + V。* 結(jié)構(gòu)模型被粘貼到剛剛新打開的3D 界面上。

6、現(xiàn)在需要改變化學(xué)鍵和對(duì)原子重新排布以得到產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。第5頁(yè)/共38頁(yè)第六頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。點(diǎn)擊一次Clean 按鈕 ?，F(xiàn)在結(jié)構(gòu)就和下面的看上去相似了。點(diǎn)擊一次C-O 鍵，由單鍵改為雙鍵。連續(xù)雙擊C-C 鍵，C-C 鍵就會(huì)由雙鍵變?yōu)槿I，然后又變成單鍵。第6頁(yè)/共38頁(yè)第七頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分?，F(xiàn)在需要把該結(jié)構(gòu)的文件名改為。右擊工作瀏覽器Project內(nèi)的3D ，將其名稱改為，回車。2. 優(yōu)化分子結(jié)構(gòu) 為了優(yōu)化LST/QST的計(jì)算性能，需要對(duì)反應(yīng)物和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。這個(gè)工作可以通過DMol3 的幾何優(yōu)化功能來完成。 點(diǎn)擊別處，取消選擇結(jié)構(gòu)。按下工具條上的DMol3

7、按鈕 ，然后選擇下拉條中的Calculation。DMol3 的計(jì)算對(duì)話框顯示出來。 將Task 由Energy 改為Geometry Optimization。確認(rèn)Quality 設(shè)為Medium。將泛函改為GGA BP。第7頁(yè)/共38頁(yè)第八頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。 剛才指定了使用的Hamiltonian 和計(jì)算的精度。精度決定了使用的基組(basis set)和軌道的截?cái)郼utoff。這里基組為DND。可以在Electronic 欄里檢查這些參數(shù)的設(shè)置?，F(xiàn)在需要應(yīng)用電子分布熱平滑thermal smearing來加快結(jié)構(gòu)優(yōu)化的收斂。 點(diǎn)擊Electronic 標(biāo)簽。檢查SCF 是

8、不是設(shè)為Medium。按下More按鈕，顯示了DMol3 的Electronic 選項(xiàng)對(duì)話框。在SCF 標(biāo)簽欄里，勾選上Using smearing 選項(xiàng)。關(guān)閉DMol3 Electronic選項(xiàng)對(duì)話框。第8頁(yè)/共38頁(yè)第九頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。 現(xiàn)在準(zhǔn)備開始計(jì)算了?，F(xiàn)在準(zhǔn)備開始計(jì)算了。 讓讓 成為當(dāng)前工作文件。點(diǎn)擊成為當(dāng)前工作文件。點(diǎn)擊Job Control 標(biāo)簽。按下標(biāo)簽。按下More按鈕，顯示了按鈕，顯示了DMol3的工作控制選項(xiàng)對(duì)話框。確認(rèn)的工作控制選項(xiàng)對(duì)話框。確認(rèn)Update structure，Update graphs 和和Update textual results

9、 三項(xiàng)被勾選上。關(guān)閉三項(xiàng)被勾選上。關(guān)閉Job Control 選項(xiàng)對(duì)話框，點(diǎn)擊選項(xiàng)對(duì)話框，點(diǎn)擊Run 按鈕。按鈕。第9頁(yè)/共38頁(yè)第十頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)計(jì)算結(jié)束后，對(duì) 重復(fù)剛才的操作。把當(dāng)前工作文件換為，點(diǎn)擊DMol3 計(jì)算對(duì)話框上的Run 按鈕。計(jì)算過程中，計(jì)算的進(jìn)程用圖表和文本文件的形式展現(xiàn)出來。 當(dāng)兩個(gè)計(jì)算都完成的時(shí)候，兩個(gè)新的文件夾出現(xiàn)在工作瀏覽器中，分別叫做reactant DMol3 GeomOpt 和product DMol3 GeomOpt。最后的優(yōu)化結(jié)構(gòu)包含在 和 文件中，計(jì)算的輸出結(jié)果在 和 文件中。 幾何優(yōu)化文件夾包含了.xtd 文件，這是能量最小

10、化過程中的軌跡文件，可以顯示幾何優(yōu)化過程。下面演示反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程。從reactant 圖中可以看出，反應(yīng)物經(jīng)過12步才優(yōu)化結(jié)束，我們可以看到每一步結(jié)構(gòu)的變化。第10頁(yè)/共38頁(yè)第十一頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。在Project中雙擊reactant.xtd文件，動(dòng)畫顯示工具按鈕Animation 激活。 如果動(dòng)畫(Animation)工具條 是不可見的，則按右側(cè)的操作，使用觀看(View)菜單讓它顯示。第11頁(yè)/共38頁(yè)第十二頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。設(shè)置顯示方式，按播放鍵 。B-O近似，體系的電子能量是核構(gòu)型的函數(shù)。第12頁(yè)/共38頁(yè)第十三頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分

11、。在繼續(xù)工作之前，需要關(guān)閉Materials Visualizer 中的所有文件。關(guān)閉DMol3 計(jì)算對(duì)話框。選擇FileSave Project，然后WindowClose All。雙擊幾何優(yōu)化子文件夾中的 和?，F(xiàn)在工作區(qū)域中只有兩個(gè)優(yōu)化了的結(jié)構(gòu)。第13頁(yè)/共38頁(yè)第十四頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。3. 定義原子對(duì) 用DMol3 進(jìn)行過渡態(tài)搜索，反應(yīng)物和產(chǎn)物的所有原子都必須配對(duì)對(duì)應(yīng)。這個(gè)可以通過使用工具欄里的反應(yīng)預(yù)覽(Reaction Preview)功能來實(shí)現(xiàn)。 從菜單條中選擇Window | Tile Vertically，使反應(yīng)物和產(chǎn)物以肩并肩的形式顯示。第14頁(yè)/共38頁(yè)第十五

12、頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分?，F(xiàn)在準(zhǔn)備開始對(duì)反應(yīng)物和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中的原子進(jìn)行對(duì)應(yīng)配對(duì)現(xiàn)在準(zhǔn)備開始對(duì)反應(yīng)物和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中的原子進(jìn)行對(duì)應(yīng)配對(duì)(物質(zhì)不滅物質(zhì)不滅) 從菜單條中選擇Tools | Reaction Preview，打開了反應(yīng)預(yù)覽(Reaction Preview)對(duì)話框。從Reactant 的 下拉樹形圖中的幾何優(yōu)化文件夾中選擇 。第15頁(yè)/共38頁(yè)第十六頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。同樣從Product 的下拉樹形圖中的幾何優(yōu)化文件夾中選擇。按下Match按鈕。尋找等價(jià)原子(Find Equivalent Atoms)對(duì)話框顯示出來了，從中可以看到，一個(gè)原子(O)匹配了，而仍有六個(gè)

13、原子(C、H)沒有匹配。第16頁(yè)/共38頁(yè)第十七頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。雙擊反應(yīng)物欄(reactant column)中的2xC。在產(chǎn)物欄里的對(duì)應(yīng)的文件夾同時(shí)打開了。反應(yīng)物欄包含了1:C 和2:C，它們應(yīng)該直接和產(chǎn)物欄里的對(duì)應(yīng)物相匹配，以下的步驟將對(duì)此加以確認(rèn)。 分別點(diǎn)擊反應(yīng)物框里的1:C和產(chǎn)物框里的1:C。 兩個(gè)對(duì)話框里的碳原子被選上，兩個(gè)3D 文件里的碳原子也同時(shí)被選中。第17頁(yè)/共38頁(yè)第十八頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。 認(rèn)為反應(yīng)物和產(chǎn)物里的兩個(gè)1:C原子是等價(jià)原子，點(diǎn)擊Auto Find。 尋找等價(jià)原子(Find Equivalent Atoms)算法匹配了2個(gè)C和1個(gè)

14、H原子。還有3個(gè)H原子未匹配。第18頁(yè)/共38頁(yè)第十九頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。 仍有3個(gè)H原子沒有匹配，重復(fù)上面的手動(dòng)匹配步驟。雙擊反應(yīng)物欄(reactant column)中的3xH。在產(chǎn)物欄里的對(duì)應(yīng)的文件夾同時(shí)打開了。反應(yīng)物欄包含了4:H、5:H 和7:H，分別點(diǎn)擊反應(yīng)物框里的4:H和產(chǎn)物框里的4:H，兩個(gè)對(duì)話框里的H原子被選上，兩個(gè)3D 文件里的碳原子也同時(shí)被選中。第19頁(yè)/共38頁(yè)第二十頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。點(diǎn)擊Set Match，還剩下5H、7H未匹配。重復(fù)這個(gè)過程，繼續(xù)點(diǎn)擊Set Match來匹配剩下的沒有配對(duì)的原子。第20頁(yè)/共38頁(yè)第二十一頁(yè)，編輯于星期六

15、：十九點(diǎn) 十五分。 反應(yīng)物、產(chǎn)物的原子已配對(duì)?，F(xiàn)在可以預(yù)覽一下反應(yīng)物和產(chǎn)物之間原子的匹配情況。 點(diǎn)擊反應(yīng)物或者產(chǎn)物欄中列表里的任意一個(gè)原子，可以看到匹配的另一原子?？疾炱ヅ淝闆r，直到滿意為止。關(guān)閉Find Equivalent Atoms 對(duì)話框。第21頁(yè)/共38頁(yè)第二十二頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。 運(yùn)用DMol3的 LST/QST功能來搜索過渡態(tài)，需要在反應(yīng)物和產(chǎn)物之間創(chuàng)建一條通道，這也是DMol3 計(jì)算時(shí)所要求的輸入文件。 在反應(yīng)預(yù)覽(Reaction Preview)對(duì)話框中，把楨數(shù)提高到100；勾選上Superimpose structures；單擊Preview按鈕，關(guān)閉反應(yīng)

16、預(yù)覽(Reaction Preview)對(duì)話框。 在幾秒鐘內(nèi)，一個(gè)名為reactant- 的新的3D Atomistic Trajectory 文件顯示出來；可以對(duì)這個(gè)文件進(jìn)行DMol3 計(jì)算；可以使用動(dòng)畫(Animation)工具條來播放軌跡文件。 動(dòng)畫用Bounce模式觀看效果最佳。把化學(xué)鍵監(jiān)測(cè)(bond monitoring)打開，這樣每變化一步，就會(huì)對(duì)化學(xué)鍵重新計(jì)算。第22頁(yè)/共38頁(yè)第二十三頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。 點(diǎn)擊Build | Bonds ，打開Bond Calculation對(duì)話框，勾選上化學(xué)鍵計(jì)算對(duì)話框上的Monitor bonding，關(guān)閉對(duì)話框。 設(shè)置動(dòng)畫演

17、示方式，按下動(dòng)畫工具條上的Play 按鈕，觀看反應(yīng)物到產(chǎn)物的變化。 看完后按下Stop 按鈕。第23頁(yè)/共38頁(yè)第二十四頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。第24頁(yè)/共38頁(yè)第二十五頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。4. 使用LST/QST/CG 方法計(jì)算過渡態(tài)Note： 包含了DMol3 需要的重要信息，第一楨是反應(yīng)物的，最后一楨是產(chǎn)物的。 現(xiàn)在準(zhǔn)備設(shè)置使用DMol3 計(jì)算過渡態(tài)。 從菜單條中選擇Modules | DMol3 | Calculation，或使用DMol3圖標(biāo) ，DMol3 計(jì)算對(duì)話框就顯示出來。 在設(shè)置(Setup)標(biāo)簽欄里，把Task 由幾何優(yōu)化改為TS Search。確定

18、計(jì)算精度為Medium，泛函為GGA 和BP。 點(diǎn)擊More按鈕顯示DMol3 過渡態(tài)搜索(DMol3 Transition State Search)對(duì)話框。確認(rèn)搜索協(xié)議(Search protocol)設(shè)置為Complete LST/QST，精度為Medium。關(guān)閉DMol3 Transition State Search 對(duì)話框。第25頁(yè)/共38頁(yè)第二十六頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。電子Hamiltonian 的設(shè)置與幾何優(yōu)化計(jì)算的設(shè)置一樣。這次需要計(jì)算頻率(Frequency)相關(guān)的性質(zhì)。點(diǎn)擊Properties 標(biāo)簽欄，勾選上Frequency。第26頁(yè)/共38頁(yè)第二十七頁(yè)，編

19、輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。 最后，需要對(duì)工作描述(Job Description)加以設(shè)置。 點(diǎn)擊Job Control 標(biāo)簽，確認(rèn)Automatic 沒有被勾選上；在Job Description 一欄里打上TS。 按下Run 按鈕。關(guān)閉DMol3 Calculation 對(duì)話框。 等待計(jì)算完畢。Note：在計(jì)算期間，數(shù)個(gè)不同的文件和一個(gè)LST/QST 圖顯示在工作區(qū)。它們報(bào)告了計(jì)算的狀態(tài)。特別地，通過顯示energy vs. LST、 QST 和CG (conjugate gradient，共軛梯度)這些路徑坐標(biāo)( path coordinate)的變化曲線，LST/QST 圖監(jiān)測(cè)了過渡

20、態(tài)搜索的進(jìn)程。第27頁(yè)/共38頁(yè)第二十八頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。 可以在 文件里看到計(jì)算文本結(jié)果。 如果該文件沒有自動(dòng)顯示出來，雙擊工作瀏覽器內(nèi)的 ，按下CTRL + F ，搜索能量勢(shì)壘。 由中的數(shù)據(jù)可知，反應(yīng)能量大約為-15 kcal mol-1，反應(yīng)勢(shì)壘大約為50 kcal mol-1。 當(dāng)LST/QST 計(jì)算完成，打開 文件就可以看到過渡態(tài)。 如果文件沒有自動(dòng)顯示出來，雙工作瀏覽器(Project Explorer)內(nèi)的。一個(gè)3D Atomistic 文件打開了，顯示了使用BP/DNP 理論水平計(jì)算得到的該反應(yīng)的過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)。第28頁(yè)/共38頁(yè)第二十九頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn)

21、十五分。由此圖已經(jīng)可以看出反應(yīng)圖了，橫坐標(biāo)0：反應(yīng)物，1：產(chǎn)物，0.63:一個(gè)過渡態(tài)；相應(yīng)的能量在縱坐標(biāo)上。QST的能量最低第29頁(yè)/共38頁(yè)第三十頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。在過渡態(tài)，一個(gè)虛頻率出現(xiàn)在紅外譜上。這個(gè)頻率對(duì)應(yīng)于反應(yīng)模式，這個(gè)反應(yīng)模式可以用動(dòng)畫顯示出來。雙擊工作瀏覽器內(nèi)的。從菜單里選擇Tools | Vibrational Analysis，顯示了振動(dòng)分析(Vibrational Analysis)對(duì)話框，按下Calculate 按鈕。第30頁(yè)/共38頁(yè)第三十一頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。 計(jì)算的簡(jiǎn)正振動(dòng)模式出現(xiàn)在對(duì)話框上的格子里。有一個(gè)虛頻率大約是-2000 cm-1。點(diǎn)擊虛頻率，使其變亮。點(diǎn)擊動(dòng)畫(Animation)按鈕。 出現(xiàn)一個(gè)新的窗口，顯示虛頻的振動(dòng)方式。 可用動(dòng)畫播放選擇（options）來改變演示方式。第31頁(yè)/共38頁(yè)第三十二頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。依據(jù)過渡態(tài)理論，虛頻對(duì)應(yīng)過渡態(tài)。雙擊，可觀察到過渡態(tài)的振動(dòng)，出現(xiàn)動(dòng)畫文件。同樣可以看626頻率的振動(dòng)。第32頁(yè)/共38頁(yè)第三十三頁(yè)，編輯于星期六：十九點(diǎn) 十五分。5. 精修過渡態(tài)在前一個(gè)部分搜索到的過渡態(tài)將在