Лабораторная работа №1 «Основы работы в редакторе GaussView пакета Gaussian03»
Цель работы: приобретение навыков работы в редакторе GaussView (задание геометрии расчетной структуры и др.), знакомство с программным комплексом Gaussian03.
1.1 Теоретическая часть
1.1.1 Программный комплекс Gaussian03
Для изучения электронной структуры как основных, так и возбужденных, часто короткоживущих, состояний молекул, применяется квантово-механическое моделирование в специальных программных комплексах. Данные, полученные в результате численных расчетов, хорошо согласуются с результатами экспериментов. Одним из самых распространенных программных пакетов является Gaussian. Программы серии Gaussian с момента своего возникновения (1970г.) отличались высокой степенью эффективности. В каждой новой версии Gaussian используются новейшие достижения в области квантовой химии. Руководитель группы разработчиков данного программного комплекса Джон Попл за развитие методов квантовой химии удостоен Нобелевской премии по химии 1998г.
Пакет может быть использован для изучения молекул при широком наборе условий, включая неустойчивые состояния молекул, которые трудно или невозможно наблюдать в экспериментальных условиях. Основные возможности пакета:
- Моделирование электронных структур молекул, включая биологические соединения;
- Моделирование периодических систем, таких как полимеры и кристаллы, посредством использования периодических граничных условий;
- Моделирование широкого диапазона спектров и спектроскопических свойств молекул;
- Расчет энергий связей и путей реакций;
- Моделирование свойств молекул в растворах.
Gaussian состоит из набора программ - линков, решающих определенные задачи. Линки, выполняющие близкие функции, объединены в оверлеи. Линки имеют трех или четырехзначный номер. Последние две цифры обозначают номер линка в оверлеее.
Оверлей 0 – интерпретирует раздел директив входного файла;
Оверлей 1 – считывает исходные данные и следит за выполнением процессов оптимизации;
Оверлей 2 – определяет центр масс и симметрию молекулы;
Оверлей 3 – управляет выбором базисных функций и вычислением интегралов (одноцентровых, мультипольных, двухэлектронных и др.);
Оверлей 4 – формирует начальный набор молекулярных обиталей, выполняет расчеты с использованием полуэмперических меотодов и методов молекулярной механики.
Оверлей 5 – содержит линки, осуществляющие процедуры самосогласованного поля;
Оверлей 6 – производится анализ атомно-молекулярных систем на основе волновых функций, полученных в оверлее 5;
Оверлей 7 – расчет первых и вторых производных интегралов;
Оверлей 8 – выполняет преобразование атомных (одноцентровых) интегралов в молекулярные (многоцентровые);
Оверлей 9 – выполняет проверку стабильности волновых функций и ее переоптимизацию;
Оверлей 10 – выполняет процедуры самосогласования при использовании сложных методов, расчет спектров ядерно-магнитного резонанса;
Оверлей 11 – предназначен для вычисления производных одноэлектронных интегралов, матричных элементов от производных дипольного момента
Линк L9999 – выполняет окончание вычислений и формирует выходной файл.
Перед выполнением расчетов необходимо задать геометрию моделируемой структуры – положения, расстояния и углы между атомными ядрами. Пример входного файл комплекса Gaussian для расчета энергии молекулы воды представлен на рис.1.1.
Рис. 1.1.Входной файл комплекса Gaussian для расчета молекулы воды
В разделе директив указываются:
%mem – максимальное количество оперативной памяти, которое может использовать программа;
%chk – имя chek-point файла, в котором содержится информация о промежуточных вычислениях;
%nproc – число используемых процессоров;
# - данные о промежуточных расчетах выводятся в стандартной форме (#T – в сжатой, #P – в развернутой).
Далее следует описание расчетного метода (в данном случае LSDA), базиса (3-21G) и максимального количества выделяемой памяти на жестком диске (подробнее о методах расчетах и базисах будет написано в лабораторной работе №2).
В разделе спецификации расчетной структуры указывается элементный состав, координаты и тип связи между атомами. Кратность связей обозначается цифрами: 1.0 – одинарная, 1.5 – ароматическая, 2.0 – двойная и т.д. Запись «1 2 1.0 3 1.0» означает, что 1 и 2, 1 и 3 атомы связаны одинарными связями.
Для небольших молекул несложно задать пространственное положение атомов, однако, если необходимо произвести расчеты для больших структур, таких как фуллерен, то задача сильно усложняется. Значительное время тратится на построение молекул, а не на расчет их свойств, возрастает количество пользовательских ошибок. Что же делать, если необходимо рассчитать системы с числом атомов ~103? Для решения данной проблемы (и многих других) существует редактор GaussView.