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[综合交流] 用ABClsuter+xBT对化学团簇进行全局优化

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发表于 2017-6-2 12:05:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 coolrainbow 于 2017-6-2 12:05 编辑

1 简介

ABCluster是一个对原子和分子团簇进行全局优化的软件,它免费高效且功能十分强大,可以在http://www.zhjun-sci.com/software-abcluster-download.php得到。软件下载即可使用,在Windows,Linux和MacOSX平台都可以使用。在处理电子定域性比较好的团簇时,用ABCluster自带的CHARMM力场就可以很完美的进行搜索,实际上软件已在多个领域得到了应用(见http://www.zhjun-sci.com/software-abcluster-stories.php)。对于电子离域性极高的体系,或者没有力场的情况下,就需要直接使用量子化学的方法进行搜索。ABCluster合作最好的软件是Gaussian,但是Gaussian软件价格昂贵,并非每一个人都有,而且Gaussian最擅长的是DFT,这个方法在很多情况下还是很昂贵的。有没有一个即免费又快速,精度还高的方法呢?当然可以用MOPAC,但是虽然免费,还是略显老了一些。

幸运的是,德国的Grimme教授推出了一个新的半经验方法,叫做GFN-xTB。这个方法的软件是免费的,并且性价比相当高。配合ABCluster,几乎可以搜索所有种类的化学团簇。本文就将介绍一下如何用ABCluster和xBT来进行团簇的全局优化。

2 GFN-xTB

GFN-xTB是由德国的Grimme教授在2017年推出的一个半经验量子化学方法(http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jctc.7b00118),这个方法经过了大量测试,据称精度超过了PM6-D3H4X,DFTB等。虽然绝对精度肯定不能和精确从头算相比,但是据作者称,其几何结构十分准确。这个方法的软件是免费的,并且是黑箱式软件,极其好用,甚至可以加上溶剂效应。因此,这个方法十分适用于对复杂体系的初步研究。而且,由Grimme这个金字招牌做保证,方法总不会太差的~
获取方法:向xtb@thch.uni-bonn.de发信请求软件,几天之后就可以收到一个压缩包叫做xtb_exe.tgz,解压后有三个可见的文件:HOWTO,REVISION和主要程序xtb。另外还有一些隐藏文件如.param, .param_gbsa_h2o等。这些隐藏文件最好放在$HOME下,而HOWTO,REVISION,xtb可以放在任意位置,只要$PATH找得到它们即可。

3 ABCluster

ABCluster的用法可以参见http://www.zhjun-sci.com/software-abcluster-download.php上面列的手册和教程,这里不再赘述,下面我们只以两个例子为例,一步步的列出如何用xtb和ABCluster搜索团簇。

4 例子: Cu4O4

铜氧化合物在理论上是一类非常重要的对象。这里我们想知道Cu4O4分子的结构可能是什么样的。
这个任务十分容易,只要用isomer就可以解决,只要一个输入文件:cu4o4.inp:
===cu4o4.inp==============================================
cu4o4          # Result file name
Cu 4 O 4      # Cluster file name
cube 4 3 3   # Structure types
100             # Maximal number of calculations
>>>>
cp $inp$ $xxx$.xyz
xtb $xxx$.xyz -opt > $xxx$.out
cp xtbopt.coord $out$
>>>>

======================================================

各行意义:
1 表示搜索到的结构保存到名为cu4o4的文件夹中;
2 表示团簇有4个Cu,4个O。
3 表示初始猜测为一个4x3x3的cube (具体可以参见手册)。
4 表示进行100次搜索。
5-9 搜索的命令。其中xtb $xxx$.xyz -opt > $xxx$.out 表示用xtb进行几何优化。

现在只要执行: nohup isomer cu4o4.inp > cu4o4.out &即可搜索。如果你有一个8核的电脑,估计10分钟就可以搜索完毕。打开cu4o4.out,在最后发现:
===cu4o4.out============================================

Reordered from low to high energy:
===============================================================
    #          Energy
===============================================================
   14    -36.76946990
   82    -36.76946979
   19    -36.76946976
   88    -36.76931569
   13    -36.73478327
   75    -36.72750181
   38    -36.72639343
   98    -36.71808476
   97    -36.71808476
   71    -36.71807786
.......
======================================================

可见,14号结构的能量最低,打开cu4o4-LM/14.xyz,发现结构是一个准平面结构。当然,为了更可靠的研究,建议把14,88,13等几个低能量的结构提取出来,再用精确的方法,如DFT,MP2,CCSD等进行进一步研究。
isomer.png

5 例子: (H2O)5(CO)
这个例子用来演示如何用lego和xtb搜索分子团簇:(H2O)5(CO)。我们准备H2O和CO的两个文件:
=====co.xyz=============================================
2
CO
C 0 0 0
O 0 0 1.4

======================================================

=====h2o.xyz============================================
3
water
O                  0.00000000    0.00000000    0.21451132
H                  0.00000000    0.75695033   -0.37137096
H                  0.00000000   -0.75695033   -0.37137096

======================================================


一个团簇组成文件:
====x.cluster=============================================
2
co.xyz   1
h2o.xyz 5

======================================================

最后就是inp输入文件:
====x.inp===============================================
x                         # Result file name
x.cluster              # Cluster file name
cube 2.5 4 3 3    # Structure types
100                    # Maximal number of calculations
>>>>
cp $inp$ $xxx$.xyz
xtb $xxx$.xyz -opt  > $xxx$.out
cp xtbopt.coord $out$
>>>>

======================================================
运行:
nohup lego x.inp > x.out &

计算结束后查看一下:
====x.out===============================================
Reordered from low to high energy:
===============================================================
    #          Energy
===============================================================
   84    -35.64396081
   76    -35.64198381
   89    -35.64171515
   96    -35.64160573
   57    -35.64142123
   61    -35.64135894
   39    -35.64097108
   47    -35.64097031

...
======================================================
能量最低的团簇是x-LM/84.xyz,结构如下:
lego.png

6 总结
xtb是一个性价比很高的方法,速度很快,精度也可以接受。对于没有力场而量子力学又很贵的团簇,ABCluster+xtb是一个十分明智的选择。

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发表于 2017-6-2 12:29:38 | 显示全部楼层
支持!
华北电力大学数理学院,理论与计算化学,团簇结构与反应机理。欢迎报考硕士研究生。

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发表于 2017-6-2 13:00:27 | 显示全部楼层
学习了,很有用

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发表于 2017-6-2 16:11:23 | 显示全部楼层
可以分享一下GFN-xTB这个软件包吗?向Grimme教授发了邮件,但是没有回应
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发表于 2017-6-2 23:25:55 | 显示全部楼层
谢谢分享

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发表于 2017-6-3 00:20:02 | 显示全部楼层
大佬手真快。。。刚看见JCTC上的xTB的文章还想能不能搞点啥,这都已经铺好路了

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 楼主| 发表于 2017-6-3 05:44:12 | 显示全部楼层
我本是个娃娃 发表于 2017-6-2 16:11
可以分享一下GFN-xTB这个软件包吗?向Grimme教授发了邮件,但是没有回应

不知道你等了多久,我是等了一个星期才收到回复的。你可以再等等。如果还没有回应我可以给你发一个

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发表于 2017-6-3 09:52:17 | 显示全部楼层
coolrainbow 发表于 2017-6-3 05:44
不知道你等了多久,我是等了一个星期才收到回复的。你可以再等等。如果还没有回应我可以给你发一个

5月19日发送的邮件,至今仍没有回音,望大佬发送到这个邮箱:979170845@qq.com,万分感谢
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发表于 2017-6-3 09:57:04 | 显示全部楼层
我本是个娃娃 发表于 2017-6-3 09:52
5月19日发送的邮件,至今仍没有回音,望大佬发送到这个邮箱:,万分感谢

是否应该用学校邮箱,QQ邮箱他们不知道

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首席卖萌官

发表于 2017-6-3 09:59:09 | 显示全部楼层
jiangning198511 发表于 2017-6-3 09:57
是否应该用学校邮箱,QQ邮箱他们不知道

上次我咨询sTDA的时候用的就是这个邮箱,他们也回复了,而且就隔了一天,是程序师克里斯托弗给我回复的,说是代表Grimme教授
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发表于 2017-6-22 09:58:56 | 显示全部楼层
ABCluster的isomer模块感觉只会对给定模式的初始构型进行一次优化,并不会像CALYPSO那样开展PSO搜索,感觉不靠谱啊,还是我不会用?

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发表于 2017-7-10 08:41:43 | 显示全部楼层
本帖最后由 yjr 于 2017-7-11 09:43 编辑
coolrainbow 发表于 2017-6-3 05:44
不知道你等了多久,我是等了一个星期才收到回复的。你可以再等等。如果还没有回应我可以给你发一个


已收到程序包!

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发表于 2017-7-11 18:37:18 | 显示全部楼层
ikea1984 发表于 2017-6-22 09:58
ABCluster的isomer模块感觉只会对给定模式的初始构型进行一次优化,并不会像CALYPSO那样开展PSO搜索,感觉 ...

calypso一样要有初始结构,只不过搜索用了GA,ABC...用AB,其实不管蚂蚁、鸽子之类的都差不多

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发表于 2017-7-12 09:15:32 | 显示全部楼层
xBT能算分子晶体吗

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发表于 2017-7-19 12:49:20 | 显示全部楼层
我写信了一直没有收到软件,能否发我邮箱一份dongkun@ipe.ac.cn,非常感谢
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