Расчет адамантана в Gaussian

[shvalbe]

Всем доброго времени дня. Так сложилось, что темой моей работы стала теоретическая химия, опыта в которой практически нет, а получить его нужно за как можно более короткое время. Конкретно задача на ближайшее время - рассчитать молекулу адамантана http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0% ... 0%B0%D0%BD в программе Gaussian под Windows. Просмотренная литература (еще не полностью, пока с акцентом на поставленную задачу):
1. Бутырская_Е.В., Компьютерная химия - основы теории и работы с Gaussian и Gaussview. 2011
2. Foresman J.B. (1996) Exploring chemistry with electronic structure methods
Из всего этого самое близкое к моей задаче нашлась молекула бензола, задаваемая через два псевдоатома; в основе же адамантана лежит конфигурация кресла, которую мне неясно, как именно задавать. У кого есть опыт работы с данной программой, может поможете советом или набросаете построчно ввод координат? Планировалось, что будет человек, который поможет, но он не смог - поэтому обращаюсь сюда.

[sanya1024]

Не заморачивайтесь с z-матрицами. Найдите трехмерную структуру адамантана среди примеров, прилагающихся к почти любому молекулярному визуализатору, или нарисуйте молекулу в HyperChem и скажите Add Hydrogens and Model Build. Это и будет Ваша стартовая структура. Гауссиан нормально понимает декартовы координаты.

[shvalbe]

Не заморачивайтесь с z-матрицами.

Придется, потому что следующий этап работы - расширить адамантан до такой матрицы (адамантан нужен только для освоения работы программы и как структурная единица матрицы). Поэтому лучше понять принцип задания координат для него - найдя пример, я не пойму, как его расширить до некоторого кластера (по плану - усеченного октаэдра).

[amge]

В самом деле, не заморачивайтесь с z-матрицами. Они были в широком употреблении лет 20 назад, тогда визуализаторов, считай, не было, и это был практически единственный способ задать молекулу (фиктивные атомы использовались в основном для наложения симметрии и для преодоления проблем при оптимизации геометрии). Сейчас все гораздо проще. Рисуете свой кластер в 2D-рисовалке (ChemDraw, MarvinSketch, ChemSketch, etc.). Переводите тут же 2D в 3D, оптимизируете молекулярной механикой, сохраняете в формате Gaussian input. Гауссиан сам определит симметрию и учтет ее и сам выберет оптимальные делокализзованные координаты для оптимизации геометрии. Ему не важно, z-матрица в инпуте, или декартовы координаты. Если сразу у Вас не получится, нарисуйте свой кластер здесь - поможем.

[shvalbe]

Спасибо, попробую, позднее задам еще вопросы. А пока такой: а что есть, собственно, конечная цель расчета? Ранее я предполагал, что это (если использовали методы молекулярной механики) длины связи исследуемой молекулы и углы, но в виденных мной примерах эти параметры задаются при описании... что же тогда имеем (или имели до использования визуализаторов) на выходе и как оценивалась адекватность полученных результатов?

[sanya1024]

На входе задается некая стартовая геометрия. Например, Model Build в HyperChem присваивает связям и углам некие стандартные значения. А после (итеративной) оптимизации геометрии (например, в мол. механике) они принимают значения, несколько отличные от стандартных, зато обеспечивающие минимальную энергию молекулы, минимум стерических затруднений. В квантовой химии все несколько сложнее.
Вообще, учиться расчетам лучше с помощью HyperChem (ищите в торрентах). Главное -- не пользоваться этой программой для практических расчетов, ибо крайне неэффективно написана. В крайнем случае, скачайте и почитайте мануал HyperChem в разделе Computational Chemistry -- на мой взгляд, лучший учебник теоретической химии начального уровня.

[shvalbe]

Я несколько лет назад пробовал осваивать HuperChem и выполнять простейшие квантохим. расчеты в соотв. модуле ChemDraw 3D - результатом, помнится, было то, что даже для молекулы HF получался совершенно непохожий на истину спектр... так что тогда забросил это дело; но некоторые основы все же есть - так что, к примеру, разницу между молекулярной механикой и методом Хартри-Фока представляю и базис 3-21G от 6-31G** отличу.

[sanya1024]

ChemDraw 3D для расчета спектра? ну Вы даете, батенька! Неудивительно, что фигню получили. Все-таки почитайте мануал HyperChem, я его даже аспирантам-квантовым химикам советую, он полезный. То, что уже знаете, приведете в порядок, а возможно, узнаете что-то новое.

[shvalbe]

Что ж тут такого? Считалась-то всего-навсего молекула HF (куда уж проще) в максимально расширенном базисе - обе программы тогда не справились, не знаю, как сейчас. Мануал на английском требует в моем случае время (а на русском или немецком языках его нет?), а у меня еще мои книги не до конца дочитаны... найду время - посмотрю, но в то же время буду задавать вопросы по ходу, особенно касающиеся моей задачи. Надеюсь поможете.

[Лечащий Врач]

shvalbe, учитывая, какие трудности у вас есть с основами расчетной квантовой химии, может быть, поделитесь, какого рода расчеты вы планируете проводить? Кластер адамантанов (простите, фрагмент алмаза?) можно считать очень разными методами в зависимости от цели. А вы только что признались, что даже не знаете, что получается в результате расчета.

Короче, что вы хотите спросить у квантовой химии?

[shvalbe]

shvalbe, учитывая, какие трудности у вас есть с основами расчетной квантовой химии, может быть, поделитесь, какого рода расчеты вы планируете проводить? Кластер адамантанов (простите, фрагмент алмаза?) можно считать очень разными методами в зависимости от цели. А вы только что признались, что даже не знаете, что получается в результате расчета.

Короче, что вы хотите спросить у квантовой химии?

После того, как будет освоена матрица - нечто наподобие того, что в приложенной статье. Но сначала нужно адекватно описать кластер наноалмаза (sp3 - внутри, sp2- на поверхности).

[Лечащий Врач]

В приведенной статье нет расчетов, она сугубо экспериментальная.

Но предположим, решили вы рассчитать наноалмаз. Я с этими объектами работал, и точное строение наноалмазов никто особенно не знает: данные КР-спектроскопии говорят только, что это, в общем, совершенно не алмаз. Но предположим, что вы хотите его рассчитать и даже как-нибудь зададите корректную стартовую модель (хотя ее поиск - это совершенно отдельная задача).

Диаметр частицы 5 нанометров (указано в тексте статьи, это минимум).

Объем сферы такого диаетра - 65.45 нм³.
Средний объем атома углерода - 18 кубических ангстрем (в алмазе меньше)
Значит, в наночастице наноалмаза содержится минимум 3600 атомов углерода.

Какой Гауссиан на Windows??? 10 лет считать будете. Это задача для специализированного софта на суперкомпьютерах. Вам ведь чтобы расчет был хоть зачем-то нужен, надо считать не характеристики алмазного ядра в самом центре частицы, а свойства поверхности - значит, считать нужно хорошо.

Абсолютный минимум ресурсов под такую задачу при решении ее ab initio - NWChem на CUDA-кластере. Или BigDFT.

Конечно, если перейти к полуэмпирике, задача сразу станет, в общем, считаемой. Но требования к квалификации расчетчика никуда не денутся, а возможно, и вырастут - потому что будет требоваться обоснование модели.

[sanya1024]

shvalbe, у Вас бэкграунд химический или физический? просто чтобы знать, на каком языке Вам объяснять. Вопрос возник вот почему. Из статьи я так и не поняла, как именно устроены частицы (в серединке алмаз, а что на поверхности?), что интересует экспериментаторов: внутренность или поверхность наночастицы? Наночастицу целиком Вы ни в какой квантовохимический расчет не засунете (поверьте моему опыту работы в этой области). Либо маленький грамотно обрезанный и терминированный кластер, имитирующий алмазную серединку, либо тоже маленький, тоже сообразно обрезанный и терминированный кластер, но уже имитирующий кусок поверхности с приповерхностным слоем. И тогда Вам очень конкретно нужно знать, как устроена поверхность. А "sp3 - внутри, sp2- на поверхности" -- это не более конкретно, чем "ну там углерод везде, и еще немножко водорода".
Вся наиболее толковая литература по теор. химии написана по-английски, не отвертитесь. Статью же английскую прислали -- значит, читать умеете

[shvalbe]

...либо тоже маленький, тоже сообразно обрезанный и терминированный кластер, но уже имитирующий кусок поверхности с приповерхностным слоем.

Именно так. Раз есть такой интерес, объясню чуть подробнее. Только для ясности - это дипломная работа, которая делается в Германии; тема получена буквально на днях, так что сам нахожусь в стадии осмысления. Исходим из того, что нанодиамант содержит на поверхности весомую долю sp2-гибридных атомов С, которые в свою очередь могут взаимодействовать с другими молекулами и далее по статье. Что хочется сделать за диплом (минимум) - найти кластер разумных размеров (построенный из адамантана), оканчивающийся атомами водорода и подобрать разумный метод его расчета; после чего убираем часть попарно стоящих водородов и получаем двойные связи. Задача на ближайший месяц-два - поверхность вообще не трогать, а составить и рассчитать этот терминированный кластер (можно было бы оценить величину возникающего напряжения при удалении водорода в зависимости от размеров кластера и выйти (или не выйти) на какой-то оптимум). Вот практические советы по построению и оптимизации такого кластера я бы очень приветствовал.

[shvalbe]

Из статьи я так и не поняла, как именно устроены частицы (в серединке алмаз, а что на поверхности?)

[sanya1024]

Ага, рис. 3, 4, 6 и 7 из этой статьи уже дают некое представление. Да уж... адамантаном не отделаетесь... Небольшой алмазоподобный кластер с двойными связями на поверхности вряд ли даст адекватное представление о поверхности большой наночастицы. Начнете оптимизировать геометрию -- кластер покорежит так, что ни серединки, ни поверхности не останется.
Для моделирования поверхности берут кластер такого размера, чтобы можно было "отпустить" и оптимизировать геометрию поверхностных слоев (1-2 поверхностных слоя) и безболезненно заморозить остальные. Или забить на кластерную модель и делать все в модели кристаллических пластин (slab) с помощью твердотельных программ типа QuantumEspresso. Наночастица -- объект достаточно большой, чтобы его поверхность моделировать бесконечной плоской пластиной. Опять-таки поверхностные слои атомов отпускают в оптимизацию, а остальные замораживают.

[shvalbe]

Начнете оптимизировать геометрию -- кластер покорежит так, что ни серединки, ни поверхности не останется.

Тогда так в конце дипломной работы и напишем... оптимизация изнахратила весь кластер и нужно прибегнуть к расчету бесконечной поверхности с замораживаем внутренних слоев... отрицательный результат - он ведь тоже результат Ну а серьезно - любой дипломник в первую очередь выполняет указания руководителя, а не дает ему советы (тем более на самой начальной стадии работы). Так что интересует как может выглядеть кластер небольшого размера, сколько атомов С (минимум) смогут более-менее отразить свойства наноалмаза... еще очень желательно сконструировать 100 и 111-поверхности, поскольку практика показывает, что в хим. реакциях присоединения они ведут себя по-разному (есть в выложенной статье). Опять-таки, хотелось бы практических советов вплоть до построения в программе GaussView (если был опыт)...

[sanya1024]

С Гауссианом я связываюсь редко, ГауссВью почти не пользуюсь. Тут на форуме есть более опытные гауссианщики. Но могу отыскать Вам статью про расчет куска алмаза программой Природа авторства Д.Лайкова (метод DFT). Природа бесплатная, быстрая, хорошо параллелится. Работающие в ней функционалы (главным образом PBE) отлично подходят для структурных расчетов.

[shvalbe]

Спасибо, не отказался бы. Но и предыдущие вопросы в силе...

[sanya1024]

priroda-04.pdf

Вот эта статья. Саму программу нужно просить у автора, здесь на форуме есть соотв. тема.