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[Multiwfn资源与经验] 使用Multiwfn+VMD快速绘制高质量分子轨道等值面图(含视频)

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发表于 Post on 2018-10-17 14:07:31 | 显示全部楼层 Show all |阅读模式 Reading model
注1:本文有完整的演示视频,初学者严格照着操作!5分钟内不可能学不会!https://www.bilibili.com/video/av34024335/(别说字太小看不清楚,登录后看1080p的,不可能看不清楚)
注2:在本文的基础上,通过修改材质和恰当使用Tachyon渲染器,可以得到效果远胜于本文的轨道等值面图,务必在看过本文后一看:《用VMD绘制艺术级轨道等值面图的方法(含演示视频)》(http://sobereva.com/449


使用Multiwfn+VMD快速绘制高质量分子轨道等值面图

文/Sobereva@北京科音
First release: 2018-Oct-17  Last update: 2022-May-19

1 前言

数年之前,笔者写过一篇文章《使用Multiwfn观看分子轨道》(http://sobereva.com/269),其中十分详细介绍了怎么用Multiwfn自己的观看轨道的界面看轨道等值面图,以及如何绘制轨道的曲线图和平面图,也同时介绍了怎么把Multiwfn计算的轨道波函数的格点数据导出成cube文件,然后放到强大的VMD可视化程序里来获得更好的显示效果。那篇文章虽然对Multiwfn和VMD联用讲得非常清楚详细,但一些接受能力差的人和比较懒的人可能还是不愿意尝试用Multiwfn+VMD的组合去绘制轨道。本文的目的是介绍如何利用脚本,将Multiwfn+VMD联用绘制轨道的过程变得极尽方便。这种绘制方法比起常用的GaussView绘制轨道有极大的优势:(1)完全免费 (2)效果完爆GaussView (3)耗时远远低于GaussView(对大体系,本文的做法花的时间比用GaussView少两个数量级甚至更多)。相信读者花几分钟看过本文和演示视频后,就再也不想用GaussView看轨道了。

读者请务必使用Multiwfn官网上的最新版本。Multiwfn可以在其主页http://sobereva.com/multiwfn免费下载,如果对Multiwfn不了解的话强烈建议阅读《Multiwfn入门tips》(http://sobereva.com/167)。VMD用的是1.9.3版,可以在http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/免费下载。各种量子化学程序产生的.fch/fchk、.molden、.mwfn文件以及GAMESS-US或Firefly程序的输出文件都可以作为输入文件来用Multiwfn看轨道,简单来说只要是能向Multiwfn提供基函数信息的文件都可以用,详见《详谈Multiwfn支持的输入文件类型、产生方法以及相互转换》(http://sobereva.com/379)。本文假定用户用的是Windows系统,在Linux系统下也可以类似地按照本文的做法快速地用Multiwfn+VMD绘制轨道,举一反三即可。


2 准备工作

首先把Multiwfn文件包的examples\scripts目录下的showorb.bat和showorb.txt都拷到Multiwfn可执行文件所在目录下。

showorb.bat是Windows下的批处理文件。用户要对它进行编辑,把里面的1.fch改成实际的输入文件名(如果输入文件就在当前目录下,就写文件名就行了,路径不需要写),并且把里面的VMD的路径改成你机子里VMD的实际路径。注意:如果VMD的路径里面含有空格,必须路径两边加双引号,比如move /Y *.cub "D:\study\VMD 193"。

showorb.txt里面每一行都是对应在Multiwfn的界面里要敲入的命令。编辑showorb.txt文件内容,把其中第三行设成你要绘制的轨道序号范围。比如你要考察10,20,21,22,23,28,29,30,就写成10,20-23,28-30即可。

把Multiwfn文件包的examples\scripts目录下的VMD绘图脚本showorb.vmd拷到VMD目录下,然后用文本编辑器编辑VMD目录下的vmd.rc,在最后插入此命令:source showorb.vmd。这样,VMD启动时就会自动执行这个绘图脚本,它定义了三个命令,可以在VMD的文本窗口里输入:
orb:用来载入和显示轨道。比如你输入orb 33,就会载入VMD目录下的orb000033.cub,并把它的绘制方式修改为等值面图的形式。之后如果比如再输入orb 34,则33号轨道就会被撤销,而将orb00034.cub以等值面形式显示。此命令显示出的轨道等值面数值默认为0.05,可以自行编辑showorb.vmd来修改默认值。
orbiso:用来修改等值面数值,比如用orb命令显示出了轨道后,再输入orbiso 0.02,就会把轨道等值面数值修改为0.02。
orbclean:用来把VMD目录下所有orb开头的.cub文件全都删掉,免得VMD目录下文件积得多了之后太乱,如果你不嫌乱就不用运行这个。

做完了以上准备工作后,直接双击showorb.bat,这个脚本就会调用Multiwfn去对指定的输入文件计算要考察的各个轨道的格点数据,并且导出为cube文件。比如第20号轨道导出后就叫orb000020.cub。所有算出来的cube文件会被这个脚本自动挪到VMD目录下,只要你看到VMD目录下出现了相应cube文件就算运行成功了。然后启动VMD,在文本窗口输入 orb [序号] 命令就可以显示相应序号的轨道了。


3 实例

这里就用Multiwfn自带的一个NH2-biphenyl-NO2体系作为例子。把examples\excit目录下的D-pi-A.fchk拷到Multiwfn可执行文件所在目录,然后把它改名为1.fch(此文件名和showorb.bat里默认的输入文件名正好对应)。此体系的HOMO是56,假定我们要看它的HOMO-2到LUMO+2,即54到59号轨道,就修改showorb.txt,把其中第三行内容改为54-59。之后双击showorb.bat,算完后启动VMD,输入orb 56来看HOMO,立刻就看到下图,其中轨道波函数的正、负相位部分分别以红、蓝色表示。
1.jpg

如果比如还想看LUMO,就再输入orb 57即可,立刻就会切换为LUMO轨道。

如果想把等值面数值从默认的0.05改成更小的0.02,就输入orbiso 0.02。

如果看完轨道后,想把VMD目录下的cub文件都清掉省得占地方,输入orbclean即可。


4 其它

本文介绍了如何利用脚本,极其便利地将Multiwfn与VMD相结合,只用很少的时间就获得理想的轨道绘制效果,可谓绘制分子轨道最完美的解决方案。如果你没看过《使用Multiwfn观看分子轨道》(http://sobereva.com/269)的话强烈建议一看,以了解其中细节,便于根据需要调整作图效果。

关于选择beta轨道:对于非限制性开壳层波函数,在Multiwfn中beta轨道序号是排在alpha轨道之后的,如果当前有x个基函数,则1号beta轨道就是x+1,这点在《使用Multiwfn观看分子轨道》里已经明确说了。因此修改showorb.txt里轨道序号范围的时候也得对应地去设。懒得自己口算beta编号的话,可以在Multiwfn主功能0的界面里输入比如-30来查看第30号beta轨道对应的Multiwfn中的序号,也可以用通过界面左上角Orbital info.里的选项把所有轨道的基本信息都输出到文本窗口里,看特定编号的beta轨道在所有轨道中是第几号。

VMD的一个缺点是没有自带的显示原子序号的功能(至少是对目前撰文时最新的1.9.3版而言),不过可以用我写的脚本来显示,见《在VMD中显示原子序号的方法》(http://sobereva.com/197)。虽然显示效果不算很理想,但自己ps一下也没什么难的。

如果想获得更好的效果,强烈建议用Tachyon渲染器渲染,对某些材质显示的效果比直接在VMD图形窗口里看到的会更好,而且有抗锯齿的效果。Tachyon的使用方法在《用Multiwfn+VMD做RDG分析时的一些要点和常见问题》(http://sobereva.com/291)里有详细说明。本文的图就是Tachyon渲染出来的。

默认的等值面的显示材质是Glossy,如果想改成透明的,可以手动在VMD图形界面里改(进入Graphics - Representation,修改Material),推荐用EdgyGlass或Translucent。也可以修改showorb.vmd,把里面的Glossy替换为相应材质名即可。使用EdgyGlass或Translucent材质时,用不用Tachyon渲染器渲染效果相差不少。

轨道的正、负相位的颜色可以自己改。默认情况下红色是正相位,蓝色是负相位,想改的话到VMD的Graphics - Representation界面里改Color ID右边的值即可。也可以自行编辑showorb.vmd,把里面的ColorID后面的值改成你想用的颜色的ID号。

本文的脚本默认用中等质量格点进行计算,总的点数约512000个。对于较大体系,比如100原子以上体系,这样的点数往往就有点偏少了,会导致等值面图可能有棱角。此时建议用高质量格点,做法就是把showorb.txt里第四行的2改为3,当然耗时也会增加。另外,对于观看里德堡轨道(相关信息见《图解电子激发的分类》http://sobereva.com/284),Multiwfn计算格点数据的默认的延展距离不够大,可能造成以比较小的轨道等值面数值显示时轨道等值面被截断,因此应该在showorb.txt的第三行和第四行之间插入
-10
12
这样延展距离就被加大到12 Bohr了,一般足够了。

如果之前用showorb.bat计算了比如20-30号轨道,然后又想考察比如35-40号轨道,就把showorb.txt里的轨道序号改成35-40,运行一遍,这样VMD目录下20-30和35-40轨道的cube文件就都有了,就都可以用orb命令看了。

PS:如果以本文方式绘制了分子轨道,请记得引用Multiwfn程序一启动时就显示的Multiwfn程序原文


5 FAQ

如果在VMD文本窗口里输入比如orb 23时提示Could not read file orb000023.cub,应当检查VMD目录下是否确实有orb000023.cub。如果没有,有以下可能:
(1)showorb.bat里VMD路径没写对,或者路径里有空格但是两边忘了加双引号
(2)给Multiwfn用的输入文件格式不对,或者文件存在问题
(3)showorb.bat里的输入文件路径没写对
(4)showorb.txt里被计算的轨道序号范围没包括被考察的那个轨道
(5)VMD装到了C盘的默认目录下,可能由于操作系统权限设置、安全防护程序等原因导致cub文件没法自动被挪到VMD目录下
(6)用的VMD版本有bug。用VMD 1.9.3版100%没问题
如果不理解本文用到的批处理文件是如何工作的,看《详谈Multiwfn的命令行方式运行和批量运行的方法》(http://sobereva.com/612)中的相关说明。

如果在VMD文本窗口里输入比如orb 23时提示invalid command name "orb",有以下几种可能:
(1)vmd.rc文件里没写入source showorb.vmd
(2)vmd.rc文件里虽然写入了source showorb.vmd,但之后没保存文件,或保存完了没重启VMD
(3)showorb.vmd文件没放到VMD目录下,导致VMD启动时没法自动运行此脚本

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发表于 Post on 2018-10-25 10:09:00 | 显示全部楼层 Show all
很不错!

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发表于 Post on 2018-10-31 22:02:18 | 显示全部楼层 Show all
谢谢sob老师,懒人的福音。要是能把VMD的路径写进Multiwfn的setting文件里,就更懒了。

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发表于 Post on 2018-11-10 15:42:41 | 显示全部楼层 Show all
谢谢sob老师,简单易行

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发表于 Post on 2018-12-1 11:23:32 | 显示全部楼层 Show all
哈哈,Sob社长速度好快, 我等懒人就先行谢过啦!补充几个图,丰富一下社长帖子的内容。
test_small.png
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发表于 Post on 2022-9-14 21:44:21 | 显示全部楼层 Show all
问一下multiwfn分析出来的nado轨道文件是mwfn文件,但是vmd不显示,怎么才可以显示呢,也不知道怎么修改vmd的脚本

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2022-9-15 02:52:57 | 显示全部楼层 Show all
18208408959 发表于 2022-9-14 21:44
问一下multiwfn分析出来的nado轨道文件是mwfn文件,但是vmd不显示,怎么才可以显示呢,也不知道怎么修改vmd ...

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按上文照常用Multiwfn+VMD绘制,只不过bat脚本里的输入文件改成记录NAdO的mwfn文件,要有举一反三的能力,搞清楚脚本运作机制,不懂的话仔细看下文。根本用不着改VMD脚本
详谈Multiwfn的命令行方式运行和批量运行的方法
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发表于 Post on 2022-9-15 09:02:19 | 显示全部楼层 Show all
sobereva 发表于 2022-9-15 02:52
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