Materials Studio 培訓教程(包你學會!)PPT

1、1,目的: 介紹如何使用 DMol3 和 Reaction Preview 工具進行過渡態(tài)搜索的計算。 對簡 單反應，這種方法是有效的。模塊: Materials Visualizer, DMol3前提: 用局域內坐標對固體進行結構優(yōu)化。,用LST/QST 搜索過渡態(tài),背景 對任何反應的勢能面的探索都要求知道反應進程中每一步的結構和能量，或者動力學和熱動力學的快照(snapshots)。特別重要的是決定反應速率的那一步，這通常需要找到那些難以捕獲的過渡態(tài)結構。有一些方法對找到過渡態(tài)的結構是很有效果的，其中比較知名的就是線性同步度越(linear synchronous transit, LST

2、)和二次同步度越(quadratic synchronous transit,QST)。,本例中，我們將介紹DMol 中的LST /QST 工具的使用，將會看到如何使用LST/QST 搜索乙烯醇轉變?yōu)橐胰┑腍轉移反應 的過渡態(tài)結構。 CH2CHOH CH3CHO 本例包括以下內容： 1. 建立一個計算模型 2. 優(yōu)化分子結構 3.定義原子對 4.用LST/QST 的方法計算過渡態(tài) 5.優(yōu)化過渡態(tài)結構,2,1.建立一個計算模型 選擇 creating a new project，建立名為vinylOH 的project 。,在本單元中，你要在兩個不同的3D Atomistic 界面中建立反應物和

3、產物模型。第一步就是打開一個新的3D Atomistic界面，構建反應物乙烯醇(vinyl alcohol)。,點擊工具欄里的New button，選擇3D Atomistic。,在Sketch 工具條上，點擊Sketch Atom 按鈕 。 將鼠標移至3D Atomistic界面，連續(xù)點擊三次鼠標，畫三個連接的碳原子。按一下鍵盤上的ESC 鍵。,3,改為球棍顯示,在3D Atomistic上 ，點擊選擇第三個C 原子。點擊Modify Element 按鈕上的選擇箭頭，選擇氧元素。剛才被選的原子由碳原子變成了氧原子。,點擊碳-碳鍵一次，選中。點擊Sketch工具條上的Modify Bond

4、Type 鍵 ，選擇雙鍵，從而把單鍵變成雙鍵。點擊別處，取消選擇碳-碳鍵。,4,按下Adjust Hydrogen 按鈕 ，點擊一次Clean 按鈕 ，拖動結構模型，使得和下圖相似，以球棍模型顯示。,在Project瀏覽器內，右擊3D Atomistic.xsd，選擇Rename，將其重新命名為reactant.xsd。,在3D Viewer上選擇Selection按鈕 ， 雙擊乙烯醇結構中的任何一個原子。 這樣乙烯醇的每一個原子都被選上，顏色顯示為黃色。,5,* 在這個新的3D 界面文件中，點擊O-H 鍵。按下鍵盤上的DELETE 鍵。點擊Sketch Atom 按鈕 ，然后是孤立的H 原子

5、，以及亞甲基團中的C 原子。如果畫分子有問題，則刪除3D Atomistic.xsd上的原子，再進行CTRL+C、CTRL+V。,* 在鍵盤上按下CTRL + C。 選中的結構文件被復制到了剪貼板。 * 用File / New打開一個新的3D Atomistic 文件，按下鍵盤上的CTRL + V。 * 結構模型被粘貼到剛剛新打開的3D 界面上?，F(xiàn)在需要改變化學鍵和對原子重新排布以得到產物結構。,6,點擊一次Clean 按鈕 。 現(xiàn)在結構就和下面的看上去相似了。,點擊一次C-O 鍵，由單鍵改為雙鍵。,連續(xù)雙擊C-C 鍵，C-C 鍵就會由雙鍵變?yōu)槿I，然后又變成單鍵。,7,現(xiàn)在需要把該結構的文件

6、名改為product.xsd。右擊工作瀏覽器Project內的3D Atomistic.xsd，將其名稱改為product.xsd，回車。,2. 優(yōu)化分子結構 為了優(yōu)化LST/QST的計算性能，需要對反應物和產物的結構進行優(yōu)化。這個工作可以通過DMol3 的幾何優(yōu)化功能來完成。,點擊別處，取消選擇結構。按下工具條上的DMol3 按鈕 ，然后選擇下拉條中的Calculation。DMol3 的計算對話框顯示出來。,將Task 由Energy 改為Geometry Optimization。確認Quality 設為Medium。將泛函改為GGA BP。,8,剛才指定了使用的Hamiltonian

7、和計算的精度。精度決定了使用的基組(basis set)和軌道的截斷cutoff。這里基組為DND。可以在Electronic 欄里檢查這些參數(shù)的設置?，F(xiàn)在需要應用電子分布熱平滑thermal smearing來加快結構優(yōu)化的收斂。 點擊Electronic 標簽。檢查SCF 是不是設為Medium。按下More按鈕，顯示了DMol3 的Electronic 選項對話框。在SCF 標簽欄里，勾選上Using smearing 選項。關閉DMol3 Electronic選項對話框。,9,現(xiàn)在準備開始計算了。 讓reactant.xsd 成為當前工作文件。點擊Job Control 標簽。按下Mo

8、re按鈕，顯示了DMol3的工作控制選項對話框。確認Update structure，Update graphs 和Update textual results 三項被勾選上。關閉Job Control 選項對話框，點擊Run 按鈕。,10,當?shù)谝粋€計算結束后，對product.xsd 重復剛才的操作。 把當前工作文件換為product.xsd，點擊DMol3 計算對話框上的Run 按鈕。 計算過程中，計算的進程用圖表和文本文件的形式展現(xiàn)出來。,當兩個計算都完成的時候，兩個新的文件夾出現(xiàn)在工作瀏覽器中，分別叫做reactant DMol3 GeomOpt 和product DMol3 Geom

9、Opt。最后的優(yōu)化結構包含在reactant.xsd 和product.xsd 文件中，計算的輸出結果在reactant.outmol 和product.outmol 文件中。 幾何優(yōu)化文件夾包含了.xtd 文件，這是能量最小化過程中的軌跡文件，可以顯示幾何優(yōu)化過程。下面演示反應物的結構優(yōu)化過程。從reactant Energies.xcd圖中可以看出，反應物經(jīng)過12步才優(yōu)化結束，我們可以看到每一步結構的變化。,11,在Project中雙擊reactant.xtd文件，動畫顯示工具按鈕Animation 激活。,如果動畫(Animation)工具條 是不可見的，則按右側的操作，使用觀看(Vie

10、w)菜單讓它顯示。,12,設置顯示方式，按播放鍵 。,B-O近似，體系的電子能量是核構型的函數(shù)。,13,在繼續(xù)工作之前，需要關閉Materials Visualizer 中的所有文件。 關閉DMol3 計算對話框。選擇FileSave Project，然后WindowClose All。 雙擊幾何優(yōu)化子文件夾中的reactant.xsd 和product.xsd。 現(xiàn)在工作區(qū)域中只有兩個優(yōu)化了的結構。,14,3. 定義原子對 用DMol3 進行過渡態(tài)搜索，反應物和產物的所有原子都必須配對對應。這個可以通過使用工具欄里的反應預覽(Reaction Preview)功能來實現(xiàn)。 從菜單條中選擇Wi

11、ndow | Tile Vertically，使反應物和產物以肩并肩的形式顯示。,15,現(xiàn)在準備開始對反應物和產物結構中的原子進行對應配對(物質不滅),從菜單條中選擇Tools | Reaction Preview，打開了反應預覽(Reaction Preview)對話框。,從Reactant 的 下拉樹形圖中的幾何優(yōu)化文件夾中選擇reactant.xsd 。,16,同樣從Product 的下拉樹形圖中的幾何優(yōu)化文件夾中選擇product.xsd。,按下Match按鈕。尋找等價原子(Find Equivalent Atoms)對話框顯示出來了，從中可以看到，一個原子(O)匹配了，而仍有六個原子

12、(C、H)沒有匹配。,17,雙擊反應物欄(reactant column)中的2xC。 在產物欄里的對應的文件夾同時打開了。反應物欄包含了1:C 和2:C，它們應該直接和產物欄里的對應物相匹配，以下的步驟將對此加以確認。,分別點擊反應物框里的1:C和產物框里的1:C。 兩個對話框里的碳原子被選上，兩個3D 文件里的碳原子也同時被選中。,18,認為反應物和產物里的兩個1:C原子是等價原子，點擊Auto Find。 尋找等價原子(Find Equivalent Atoms)算法匹配了2個C和1個H原子。還有3個H原子未匹配。,19,仍有3個H原子沒有匹配，重復上面的手動匹配步驟。雙擊反應物欄(re

13、actant column)中的3xH。在產物欄里的對應的文件夾同時打開了。反應物欄包含了4:H、5:H 和7:H，分別點擊反應物框里的4:H和產物框里的4:H，兩個對話框里的H原子被選上，兩個3D 文件里的碳原子也同時被選中。,20,點擊Set Match，還剩下5H、7H未匹配。重復這個過程，繼續(xù)點擊Set Match來匹配剩下的沒有配對的原子。,21,反應物、產物的原子已配對。現(xiàn)在可以預覽一下反應物和產物之間原子的匹配情況。 點擊反應物或者產物欄中列表里的任意一個原子，可以看到匹配的另一原子?？疾炱ヅ淝闆r，直到滿意為止。關閉Find Equivalent Atoms 對話框。,22,運用

14、DMol3的 LST/QST功能來搜索過渡態(tài)，需要在反應物和產物之間創(chuàng)建一條通道，這也是DMol3 計算時所要求的輸入文件。 在反應預覽(Reaction Preview)對話框中，把楨數(shù)提高到100；勾選上Superimpose structures；單擊Preview按鈕，關閉反應預覽(Reaction Preview)對話框。,在幾秒鐘內，一個名為reactant-product.xtd 的新的3D Atomistic Trajectory 文件顯示出來；可以對這個文件進行DMol3 計算；可以使用動畫(Animation)工具條來播放軌跡文件。 動畫用Bounce模式觀看效果最佳。把化

15、學鍵監(jiān)測(bond monitoring)打開，這樣每變化一步，就會對化學鍵重新計算。,23,點擊Build | Bonds ，打開Bond Calculation對話框，勾選上化學鍵計算對話框上的Monitor bonding，關閉對話框。,設置動畫演示方式，按下動畫工具條上的Play 按鈕，觀看反應物到產物的變化。 看完后按下Stop 按鈕。,24,25,4. 使用LST/QST/CG 方法計算過渡態(tài) Note：reactant_product.xtd 包含了DMol3 需要的重要信息，第一楨是反應物的，最后一楨是產物的。 現(xiàn)在準備設置使用DMol3 計算過渡態(tài)。,從菜單條中選擇Modul

16、es | DMol3 | Calculation，或使用DMol3圖標 ， DMol3 計算對話框就顯示出來。 在設置(Setup)標簽欄里，把Task 由幾何優(yōu)化改為TS Search。確定計算精度為Medium，泛函為GGA 和BP。,點擊More按鈕顯示DMol3 過渡態(tài)搜索(DMol3 Transition State Search)對話框。確認搜索協(xié)議(Search protocol)設置為Complete LST/QST，精度為Medium。關閉DMol3 Transition State Search 對話框。,26,電子Hamiltonian 的設置與幾何優(yōu)化計算的設置一樣。,

17、這次需要計算頻率(Frequency)相關的性質。 點擊Properties 標簽欄，勾選上Frequency。,27,最后，需要對工作描述(Job Description)加以設置。 點擊Job Control 標簽，確認Automatic 沒有被勾選上；在Job Description 一欄里打上TS。 按下Run 按鈕。關閉DMol3 Calculation 對話框。 等待計算完畢。,Note：在計算期間，數(shù)個不同的文件和一個LST/QST 圖顯示在工作區(qū)。它們報告了計算的狀態(tài)。特別地，通過顯示energy vs. LST、 QST 和CG (conjugate gradient，共軛梯

18、度)這些路徑坐標( path coordinate)的變化曲線，LST/QST 圖監(jiān)測了過渡態(tài)搜索的進程。,28,可以在TS.outmol 文件里看到計算文本結果。 如果該文件沒有自動顯示出來，雙擊工作瀏覽器內的TS.outmol ，按下CTRL + F ，搜索能量勢壘。 由TS.outmol中的數(shù)據(jù)可知，反應能量大約為-15 kcal mol-1，反應勢壘大約為50 kcal mol-1。,當LST/QST 計算完成，打開TS.xsd 文件就可以看到過渡態(tài)。 如果文件沒有自動顯示出來，雙工作瀏覽器(Project Explorer)內的TS.xsd。一個3D Atomistic 文件打開了，

19、顯示了使用BP/DNP 理論水平計算得到的該反應的過渡態(tài)的結構。,29,由此圖已經(jīng)可以看出反應圖了，橫坐標0：反應物，1：產物，0.63:一個過渡態(tài)；相應的能量在縱坐標上。,QST的能量最低,30,在過渡態(tài)，一個虛頻率出現(xiàn)在紅外譜上。這個頻率對應于反應模式，這個反應模式可以用動畫顯示出來。 雙擊工作瀏覽器內的TS.xsd。,從菜單里選擇Tools | Vibrational Analysis，顯示了振動分析(Vibrational Analysis)對話框，按下Calculate 按鈕。,31,計算的簡正振動模式出現(xiàn)在對話框上的格子里。有一個虛頻率大約是-2000 cm-1。 點擊虛頻率，使其變亮。點擊動畫(Animation)按鈕。 出現(xiàn)一個新的窗口，顯示虛頻的振動方式。 可用動畫播放選擇（options）來改變演示方式。,32,依據(jù)過渡態(tài)理論，虛頻對應過渡態(tài)。雙擊2037.15，可觀察到過渡態(tài)的振動，出現(xiàn)TS-Mode-2036.xtd動畫文件。同樣可以看626頻率的振動。,33,5. 精修過