从小分子转行做COF，求助周期性体系计算相关问题

HexGaS

如题，本科是小分子实验组出身，计算做得少，只用过Gaussian且用得不深入。研究生转行做COF（也是实验组，只是做些计算辅助），经过在论坛上的初步检索和查阅文献，意识到COF这类周期性体系各方面都与小分子相差较大。想向坛友请教下列问题：


1. 目前了解到比较流行的周期性体系计算软件有CP2K和VASP。对于COF体系（尤其是2D COF），哪个更合适，哪个更容易上手？


2. COF可以像小分子一样先“搭”出来再进行结构优化来得到较为准确的结构吗。了解到很多COF相关的计算都需要解XRD来得到准确的原子坐标后，再建模计算，但解XRD似乎是个相当复杂的过程，并且有些时候做预测性的计算也不可能有目标结构的XRD，故有此疑惑；


3. 做COF相关计算时，什么时候必须考虑层间距和层堆叠。层间距似乎是个需要从实际材料得到的数据，如果没有层间距数据，是否会对COF的某些计算产生很大的影响？层堆叠也同理，似乎需要从实际材料得到堆叠方式，并且了解到COF材料的层堆叠较为复杂，会同时存在多种堆叠方式，是否对计算有影响？


无论是COF还是计算，我都是刚入门的小白，故某些问题可能有些失当，望坛友海涵。感谢每一位回答问题的坛友！

xcgotk

1、我用的是cp2k，因为没有vasp版权，听别人说cp2k需要注意的细节更多，设置不合理很容易出现不收敛，当然我没深入用过vasp不是很了解
2、xrd不能得到原子坐标吧，应该是先建模，然后优化，根据xrd做精修，精修后的结构认为是相对准确的结构，但是在一般计算里面一般会选择直接优化通常不会有问题
3、从个人角度而言，如果计算只是辅助说明问题，我认为算单层是说得过去的，如果要和实际结构更贴近，也只是能做到相对贴近，如果是完全理论化的模型，不知道你做什么方向，至少在我的方向是算不动的，至于堆叠，我们一般会用与xrd最贴近的构型去计算

sobereva

1 用CP2K算COF比用昂贵的VASP强百倍，不仅免费，速度还吊打VASP，还能结合Multiwfn做大量的分析极大地增加研究深度

CP2K是否容易上手完全取决于你怎么上手，若试图自己网上找资料折腾、经历各种跌跌撞撞来学CP2K超难，是所有第一性原理程序里最难之一。但如果通过北京科音CP2K第一性原理计算培训班（仔细看http://www.keinsci.com/KFP）循序渐进、走最轻松的道路来学习第一性原理计算的各种背景知识和CP2K的各方面使用，并结合Multiwfn丝滑地创建CP2K输入文件（见《使用Multiwfn非常便利地创建CP2K程序的输入文件》http://sobereva.com/587），则上手难度不会比你用Gaussian更大，比VASP上手更容易，并且能轻轻松松算COF体系。

2 单晶衍射可以得到COF的结构，对于没有实验结构的情况，需要做晶体结构预测，或者自己在已知一些信息基础上试图自己搭结构、对其它有晶体结构的COF进行修饰（通过GaussView可以实现。结构弄好后保存成gjf文件，然后给Multiwfn当做输入文件并创建CP2K输入文件）

3 比如研究吸附问题，如果多层COF一起吸附一个分子，那必然计算模型里得考虑多层。而如果比如研究COF的化学键、芳香性、电荷分布问题，例如下文这样，一层就够了，层之间的弱相互作用不会对单层的电子结构产生多大的影响
使用Multiwfn考察周期性体系的芳香性
http://sobereva.com/722（http://bbs.keinsci.com/thread-47527-1-1.html）
使用Multiwfn对周期性体系做键级分析和NAdO分析考察成键特征
http://sobereva.com/719（http://bbs.keinsci.com/thread-47176-1-1.html）
使用Multiwfn结合CP2K做周期性体系的atom-in-molecules (AIM)拓扑分析
http://sobereva.com/717（http://bbs.keinsci.com/thread-46927-1-1.html）
使用Multiwfn对周期性体系计算Hirshfeld(-I)、CM5和MBIS原子电荷
http://sobereva.com/712（http://bbs.keinsci.com/thread-46269-1-1.html）

睡觉不打鼾

针对建模方面：

1. PXRD没有很难解得晶体结构，SCXRD可以。COFs大部分都是粉末，但是还是有人可以从PXRD解得晶体结构的，据说属于高难度的技术活。

2. “搭”出来的结构和实验比肯定会有不小差异，即使经过的DFT优化，毕竟同一个结构不同的人、环境合成出来亦有差异，属于“系统误差”。最好是有实验数据进行比对

3. 堆叠方式肯定和性能有一定影响，有不少相关的研究，至少JCP上就有从AA→AB的性能影响研究

nuonuo123456

以下观点仅为个人观点，如有不同见解请见谅：
1.vasp是更容易上手的，二维COF的周期性结构一般来说不会很大，vasp是可以胜任的，vasp其实是更稳定的选择，不会出错，对于计算辅助的情况，vasp常见的电子性质一般是够用的，不够也可以再想办法
2.其实是可以的，因为你合成cof的单体都是确定的，是可以搭出来的，解xrd是有一定难度的，我的建议是模型精修后的xrd能和实验xrd谱图对的上就是ok的，一般不会有审稿人质疑了，但是差的很多要么是cof没合出来，要没是建模有问题
3.如果你精修之后的xrd和你实验谱图对的差不多，这个层间距就是合适的，当然，有具体数据更好，但是没有也是ok的。在cof方面的计算来说，只要精修xrd和实验可以比较好的对的上，一般情况下不会有审稿人质疑你的模型
此外，多说两句，毕竟是实验为主的文章，在计算方面没有明显的短板就可以，只要你算的结果可以说明问题加上计算参数和模型没有大问题就ok了。像多种堆叠方式类似的问题，xrd对的上就行，不用考虑太多，当然实验上能证明堆叠方式更好。要分得清主次，计算方法没有原则性问题的情况下可以说明问题就ok。

HydroKagami

对于COF材料，很多功能性的设计，比如电荷转移这些特性。这些计算可能要涉及激发态，甚至要考虑自旋-轨道耦合，这时用小分子做计算，只有一组基元，未必能很好的显示出特性，而VASP不支持对周期性体系的TDDFT，CP2K恰好能够胜任周期性的涉及电子激发的计算，而且可选泛函很多，比较好的例如CAM-B3LYP这种也是支持的，算能带的时候也可以用HLE17得到相当好的结果。总之如果你主要研究COF，我十分推荐CP2K，不仅算的快算的好，还有很多其他软件替代不了的点。我自己给楼下实验组的COF补充了许多计算，踩过很多坑。这一篇文章我是二作负责计算，你可以看一下：https://doi.org/10.1002/anie.202516908