Как поменять фон в hyperchem

Программа HyperChem

Документация к программе HyperChem на английском языке находится в файлах CDK.pdf , GetStart.pdf , Referenc.pdf . Для читателей, абсолютно незнакомых с методами и программами квантовой химии и молекулярной динамики в данной Главе приводится некий “курс молодого бойца”, который позволяет легко начать работу с программой HyperChem.

После установки и запуска программы на мониторе появляется окно (вне зависимости от версии программы):

Части окна HyperChem

Строка названия показывает имя файла, с которым Вы работаете. Если Вы работаете во вновь созданном файле, имя появляется как untitled .

Строка меню содержит имена других HyperChem меню:

File Файл,

Edit Редактирование,

Build Построение объектов,

Select Выделение,

Display Отображение,

Databases Базы данных,

Setup Установки,

Compute Расчет,

Cance l Отмену,

Script Сценарий,

Help Подсказку.

Панель инструментов Левая сторона строки инструментов содержит восемь клавиш инструментальных средств, которые Вы используете, чтобы построить, выбрать, отобразить, и переместить атом или молекулу (см. ниже «Использование мыши»).

Строка состояния показывает текущую информацию, такую как количество атомов в молекуле, которое к настоящему времени отображается, состояние вычисления, энергию или величину градиента. Когда Вы выбираете пункт меню, краткое описание пункта появляется в строке состояния.

Кнопки управления меню содержат команды, позволяющие менять размеры, перемещать, расширять и закрывать окно HyperChem. Они также содержат команду Ключа, которая позволяет Вам активизировать другие окна.

Использование мыши

Работа в HyperChem по большей части происходит при помощи мыши. Она используется следующим образом:

1. Точка — перемещение точки (скольжение), при этом курсор указывает, что Вы хотите выбрать в окне HyperChem.

2. L-Нажатие — щелчок левой кнопкой мыши.

3. R-Нажатие — щелчок правой кнопкой мыши. Обычно, R-нажатие имеет противоположный эффект L-нажатию.

4. Двойное нажатие — быстрый двойной щелчок левой кнопкой мыши.

5. L-протяжка или R-протяжка — нажатие на левую или правую кнопку мыши, и перемещение, не отпуская кнопки, (скольжение) курсора в новую позицию в рабочей области.

6. LR-протяжка — нажатие и удержание левой кнопки мыши, затем правой кнопки и перемещение курсора в новую позицию в рабочей области.

7. RL-протяжка — так же, как LR-протяжка, но вначале нажатие правой кнопки мыши.

Курсор мыши способен изменять форму. Чтобы это увидеть:

1. Укажите на инструментальное изображение ( Draw ) нажмите левую клавишу.

2. Переместите курсор в рабочую область. Курсор приобретает соответствующую форму: Å .

3. Укажите на инструментальное изображение ( Select ) и нажмите левую клавишу.

4. Переместите курсор в рабочую область. Он приобретает соответствующую форму: ¥ . Таким же образом изменяется форма курсора при выборе остальных шести клавиш строки инструментов.

Клавиатурные альтернативы

HyperChem обеспечивает стандартные альтернативы клавиатуры

Чтобы открыть меню, использующее клавиатурную альтернативу, нажмите одновременно кнопку [Alt] и клавишу [S]. Открывается меню Выбора ( Select ).

Таким образом, можно открыть и все остальные меню, нажимая одновременно с [Alt] на клавишу первой буквы названия (F для меню File и т.д.).

Чтобы закрыть меню: нажмите [Alt] или клавишу [Esc].

Чтобы выбрать один из пунктов уже открытого меню: нажмите одновременно на кнопку [Alt] и клавишу, соответствующую первой букве названия пункта меню (A для пункта Atom).

Кратчайшие клавиатурные пути

HyperChem имеет различные кратчайшие клавиатурные пути.

[Ctrl] + [N] — создать новый файл ( New на Файловом меню).

[Ctrl] + [O] — открыть файл ( Open на Файловом меню).

[Ctrl] +[S] — сохранить ( Save )

[Ctrl] + [X] — вырезать ( Cut )

[Ctrl] + [C] — копировать ( Copy )

[Ctrl] + [V] — вставить ( Past )

[Alt] + [F4] — выход ( Exit )

[F4] — построение изоповерхностей

[F9] — копирование всего изображения ( Copy ../book/image(III)/Image ) в меню Редактирования.

[Esc] — отмена.

Открытие файла образца Sample File

В программе HyperChem Вы можете работать с молекулами тремя способами:

1. Инструментальные средства дают возможность создать двухмерную ( 2D ) структуру молекулы и затем преобразовывает ее с помощью моделепостроителя HyperChem в трехмерный ( 3D ) вид.

2. Выбор остатков позволяет последовательно выбрать из HyperChem/Lite уже готовые остатки аминокислот и нуклеотидов (нуклеозидов), чтобы создать белки и нуклеиновые кислоты.

3. Чтение: набор атомных и молекулярных координат, которые были сохранены в HyperChem формате входного файла (файл HIN ) или формате Белкового банка данных Brookhaven Protein Data Bank (файл ENT ), а также в ряде других форматов.

Открытие HIN файла

1. Переместить указатель мыши в верхнюю левую часть окна на меню File.

2. Нажатием левой кнопки мыши ( L-Нажатие ) откройте файловое меню

3. В диалоговом блоке меню выберите Open (Открыть )

4. Появляется список файлов, среди которых необходимо выбрать нужный и L-Нажатием кнопки мыши открыть его.

Использование дисплейных установочных параметров

HyperChem автоматически использует дисплейные установочные параметры с последнего сеанса работы. Выбрать дисплейные установочные параметры можно, используя пункт меню Display ( Отображение ).

Использование подписей атомов и молекул

Если молекула отображается с подписями атомных зарядов и пр., удалить их можно следующим образом:

1. L-Нажатием кнопки мыши открыть Labels ( Этикетки ).

2. В списке подписей атомов автоматически помечено None ( Ничто ).

3. L-Нажатие на OK отменяет подписи атомов. Диалоговый ящик закрывается, и подписи не отображаются.

Чтобы использовать подписи необходимо в диалоговом окне пометить интересующее и нажать ОК . Диалоговый ящик закрывается, и молекула помечается выбранными символами (химическими символами элементов, зарядами и пр.).

Использование молекулярных изображений

Чтобы изменить изображения молекулярной системы:

1. Выбрать Renderings в Display меню .

2. В диалоговом меню выбрать и пометить, например, Bolls ( Шары ).

3. В верхней части диалогового окна нажать на клавишу Bolls , которая открывает лист параметров

4. Если удалить метку ( Ö ) Shading ( Затенения ) и нажать ОК , будет получено приближенное, но быстро обрабатываемое объемное изображение молекулы.

5. Если же отметить Shading и затем нажать OK , это даст пространственно заполненное изображение.

6. Если в диалоговом меню выбрать Ö Sticks & Dots ( Стержни и точки ). Такое представление хорошо демонстрирует форму молекулы.

Нажатие клавиши [F2] позволяет восстановить параметры изображения молекулы, выбранные ранее. Это — эквивалент выбора Last Rendering ( Последний раз ) в дисплейном меню.

[an error occurred while processing this directive]

5 quants / Лабораторный практикум Квантово-химическое моделирование соединений в пакете HyperChem Учебно-методическое пособие

Высшего профессионального образования «Кемеровский государственный университет» Кафедра экспериментальной физики Лабораторный практикум Квантово-химическое моделирование соединений в пакете HyperChem Учебно-методическое пособие

Кемерово 2013
Составитель: к.ф.-м.н., доцент А.Л. Юдин Лабораторный практикум «Квантово-химическое моделирование соединений в пакете HyperChem»: учеб.-метод. пособие / ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»; сост. А.Л. Юдин. – Кемерово, 2013. – 175 с. Цель пособия – выработать у студентов навыки решения практических задач квантовой химии с использованием современного программного обеспечения на примере комплекса HyperChem. Приведено описание вычислительных возможностей квантовохимического пакета HyperChem. Рассмотрены правила и примеры, позволяющие на практике проводить молекулярно-механические, неэмпирические и полуэмпирические расчеты геометрии, электронных состояний и различных свойств молекул. Даны методические указания и рекомендации по выполнению лабораторных работ в HyperChem. Приведено обсуждение полученных результатов и даны примеры анализа конкретных молекул. Пособие подготовлено на кафедре экспериментальной физики и предназначено для студентов физического факультета, обучающихся по направлению 011200.62 «Физика» и выполняющих лабораторный практикум по курсу «Математическое моделирование структуры и свойств химических соединений». Пособие может использоваться и для других специальных курсов, связанных с изучением и применением расчетных методов квантовой химии, а также для работы над курсовыми и дипломными проектами по данному направлению.

РЕКОМЕНДОВАНО	РАССМОТРЕНО
методической комиссией	на заседании кафедры
физического факультета	экспериментальной физики
Протокол № 3	Протокол № 4
от «12» ноября 2012 г.	от «15» ноября 2012 г.
Председатель методической	Заведующий кафедрой
комиссии	_________________________
_______________________	_________________________
Н. И. Гордиенок	С. Д. Шандаков

I. ПАКЕТ КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ HYPERCHEM 1. Введение В настоящее время компьютерное моделирование методами квантовой химии и молекулярной динамики электронной и атомной структур молекулярных и кластерных систем переходных наноразмеров различной сложности получило широкое распространение. Квантово-химические методы с большой точностью, не прибегая к дорогостоящему эксперименту, позволяют не только рассчитать свойства отдельных молекулярных систем, но и выявлять общие закономерности, присущие классам соединений, обосновывать существующие закономерности, проводить корреляции [1-14]. Как известно, в основе квантово-химических расчетов лежит решение уравнения Шредингера. Однако даже для многоэлектронных атомов и тем более для многоатомных систем решение уравнения точным численным методом неприемлемо из-за очень большого расчетного времени. Точное решение невозможно даже для молекулы водорода. Последовательное применение приближенного метода решения уравнений Хартри-Фока-Рутаана — метода самосогласованного поля (ССП) — для молекул, состоящих всего из нескольких атомов, может натолкнуться на непреодолимые вычислительные проблемы. По этой причине в квантовой химии значение приобретают полуэмпирические (приближенные) методы решения этого уравнения. Поиск путей решения уравнения Шредингера для молекул в рамках схемы ССП может идти по нескольким направлениям. В зависимости от степени приближения все квантово-химические методы можно разделить на неэмпирические (первопринципный ab initio (от лат. « от начала ») и функционала плотности), полуэмпириче- ские , эмпирические (группа методов молекулярной механики ) и методы молекулярной динамики . На сегодняшний день в мире существует много вычислительных комплексов и программных продуктов, в которых реализованы методы квантовой химии. Наиболее полный список программ с описанием возможностей представлен в работе [15]. Широко используются такие пакеты, как Gaussian ( www.gaussian.com ), Gamess ( www.msg.ameslab.gov/GAMESS ), ChemCraft, как средство визуа-

лизации программ расчетных файлов Gaussian и Gamess ( www.chemcraftprog.com ), MOPAC ( openmopac.net ), Molden и мно- гие другие. К таковым относится и пакет программ HyperChem , возможности которого будут рассмотрены в данном пособии. Бесплатную демонстрационную 10-дневную, но полнофункциональную, версию программы можно получить на сайте компании Hypercube ( www.hyper.com ). Программа снабжается документацией (на английском языке) в файлах: CDK.pdf, GetStart.pdf, Referenc.pdf (основаны на версии 5.0), hyperchem_getting_started.pdf (для версии 7.5), hyper8.pdf (описание текущей версии 8.0). HyperChem – комплексный программный продукт, предназначенный для задач квантово-механического моделирования атомных и молекулярных структур (рис. 1.1). Он включает в себя программы, реализующие методы молекулярной механики, квантовой химии и молекулярной динамики. Силовые поля молекулярной механики, которые могут использоваться в HyperChem – это ММ+, Amber, OPLS и BIO+ (на базе CHARMM). Реализованы полуэмпирические методы: расширенный метод Хюккеля, CNDO, INDO, MINDO/3, MNDO, AM1, PM3, ZINDO/1, ZINDO/S и другие. Представлены не- эмпирические методы расчета: ab initio (Хартри-Фока) и метод функционала плотности. Все результаты квантово-химических расчетов, представленные в данном пособии, могут быть получены с использованием различных версий программы HyperChem старше 6.0. Приведенные ниже практические инструкции по работе с программой основаны на имеющейся у автора коммерческой версии HyperChem 8.07. Пакет программ HyperChem позволяет проводить неэмпирические и полуэмпирические расчеты геометрических, электронных, спектральных и магнитных характеристик молекул, межмолекулярных комплексов и наноструктур, а также вычислять энергию переходных состояний комплексов, расчеты электронных и колебательных спектров, характеристики систем в гидратной (сольватной) оболочках, производить простейшие расчеты характеристик кристаллов. Данный пакет предназначен в первую очередь для решения вычислительных задач компьютерной химии, нанофизики. Во многих случаях имеется возможность сопоставления результатов расчетов с экспериментальными данными.

Рис. 1.1 . Общий вид окна программы HyperChem (представлено изображение нанотрубки) Информационное содержание квантово-химических расчётов выше, чем информативность эксперимента. Они позволяют одновременно рассчитать геометрию молекул, дипольные моменты, энтальпии, потенциалы ионизации, распределение зарядов, порядки связей, спиновые плотности и т.п. Причём эти данные можно получить и для несуществующих в действительности молекул. Можно прогнозировать некоторые характеристики для гипотетических молекул, не прибегая к эксперименту. Последняя версия HyperChem 8.0 содержит, как и предыдущие, графический редактор, большую базу данных по строению молекул, наносистем, нуклеотидов, полимеров, элементарных ячеек кристаллов и способна считать всеми современными методами квантовой химии. База данных позволяет легко построить структуры белков, полимеров, фрагменты ДНК, нанокластеры металлов, металлоорганических соединений, углеродные наноструктуры. Достаточно большой набор различных методов молекулярной механики, полуэмпирических методов и всевозможные типы базисов, используемые в ab initio расчетах, включая расщепленные и поляризованные, обеспечивают широкий спектр вычислений в 5

HyperChem . К сожалению, ab initio расчеты даже в базисе 3-21G требуют значительных ресурсов оперативной, общей памяти ЭВМ, большой мощности процессора. В настоящее время этот метод редко применяется для молекул или молекулярных фрагментов, содержащих более 10 атомов. Самым несомненным преимуществом программы HyperChem является возможность наглядного изображения графической структуры молекулы (рис. 1.1) и изменение геометрических параметров при оптимизации системы в интерактивном режиме. Также программа отличается возможностями визуализации полученных в результате расчетов: молекулярных орбиталей, относительной интенсивности электронных переходов, потенциалов в двумерном изображении и анимация колебательных мод. При изложении материала предполагалось, что читатель знаком с основами химического строения веществ, университетским курсом атомной физики, а также с базовыми основами квантовой механики и квантовой химии. И хотя пособие ориентировано на студентов физиков, не специализирующихся на квантовой химии, квантовохимические программы нельзя использовать как некий «черный ящик», не понимая идеи и методы современной квантовой химии. Необходимо также отметить, что для успешного освоения программы пользователю потребуются базовые навыки работы в операционной системе Windows. 2. Использование графического режима в пакете HyperСhem 2.1. Рабочее окно HyperChem Главное окно программы HyperChem представлено на рис. 1.2. Окно программы, являющееся стандартным окном Windowsприложения, содержит строку названия, строку меню, панель инструментов, строку состояния и основное рабочее поле визуализации и построения, где находится текущая молекулярная система. Строка названия вверху экрана показывает имя файла, с которым Вы работаете. Если Вы работаете во вновь созданном файле, появляется имя untitled . А также здесь расположены кнопки управления окном, которые содержат команды, позволяющие менять размеры, перемещать, расширять и закрывать окно HyperChem .

Строка меню содержит имена ниспадающих списков команд основного HyperChem меню: File (Файл), Edit (Редактирование), Build (Построение объектов), Select ( Выделение), Display (Экран), Databases (Базы данных), Setup (Установки), Compute (Расчет), Annotations ( Подписи), Script (Сценарий), Cance l (Отмена), Help (По- мощь). Рис. 1.2. Элементы рабочего окна HyperChem Панель инструментов Левая сторона строки инструментов содержит восемь кнопок инструментальных средств, которые Вы используете, чтобы построить, выбрать, отобразить, и переместить атом или молекулу . Правая сторона содержит набор стандартных кнопок , выполняющих типичные действия с файлами и объектами в Windowsприложениях. В рабочем поле отображаются все загружаемые или создаваемые исследователем структуры. По умолчанию рабочее поле имеет черный фон. При желании цвет фона можно изменить, например, на

более привычный белый, в пункте Preferences ( Настройки ) главного меню File ( Файл ). Строка состояния в нижней части экрана показывает в зависимости от режима работы программы текущую информацию, такую как количество атомов в молекуле, состояние, результаты вычисления или ход вычислительного процесса, энергию или величину градиента, длины выбранных связей или углов, подсказки и т.п. Когда Вы выбираете пункт меню, краткое описание пункта появляется в строке состояния. В правом углу строки состояния высвечивается сокращенное название выбранного вычислительного алгоритма (метода расчета), который в данный момент используется программой. Принцип работы программы таков, что для конкретной молекулярной модели, загруженной в окне визуализации, можно решать однотипные задачи, например, минимизировать энергию молекулы, используя различные методы. Выбор метода производится в пункте Setup основного меню. В частности, словосочетание Ab Initio в правом нижнем углу экрана на рис. 1.1 означает, что рабочим расчетным методом в данный момент является данный неэмпирический квантовохимический метод. На рисунке 1.2 выбран метод ММ+ . 2.2. Использование мыши и инструментов Работа в HyperChem по большей части происходит при помощи мыши. Она используется следующим образом: 1. L-Нажатие — щелчок левой кнопкой мыши. 2. R-Нажатие — щелчок правой кнопкой мыши. Обычно, R- нажатие имеет противоположный эффект L-нажатию. 3. Двойное нажатие — быстрый двойной щелчок левой кнопкой мыши. 4. L-протяжка или R-протяжка — нажатие на левую или правую кнопку мыши, и перемещение, не отпуская кнопки (скольжение), курсора в новую позицию в рабочей области. 5. LR-протяжка — нажатие и удержание левой кнопки мыши, затем правой кнопки и перемещение курсора в новую позицию в рабочей области. 6. RL-протяжка — так же, как LR-протяжка, но вначале происходит нажатие правой кнопки мыши. Курсор мыши способен изменять форму. Чтобы это увидеть:

1. Нажмите левую клавишу на инструментальном изображении ( Draw — рисовать ). 2. Переместите курсор в рабочую область. Курсор приобретает соответствующую форму: . 3. Укажите на инструментальное изображение ( Select — выбор ) и нажмите левую клавишу. 4. Переместите курсор в рабочую область. Он приобретает соответствующую форму: . Таким же образом изменяется форма курсора при выборе остальных шести кнопок строки инструментов. Rotate out of plane (XY-вращение, свободное 3-х мерное) Rotate in plane (Z-вращение, вращение в плоскости экрана) Translate (перемещение в плоскости экрана) Z-translate (перемещение в Z-направлении, вглубь экрана) Maghify/Shrink (масштабирование, увеличение / уменьшение) Z-clipping planes (отрезание в z плоскости) При указании мышкой на кнопку появляется всплывающая подсказка, указывающая назначение выбранной кнопки. 2.3. Открытие файла В программе HyperChem Вы можете работать с молекулами, полученными тремя различными способами: 1. Инструментальные средства дают возможность создать двухмерную ( 2D ) структуру молекулы и затем преобразовывает ее с помощью моделепостроителя HyperChem в трехмерный ( 3D ) вид (см. далее п. 3). 2. Последовательный выбор из базы данных HyperChem уже готовых остатков аминокислот и нуклеотидов (нуклеозидов) позволяет создать белки и нуклеиновые кислоты. 3. Чтение данных с диска из файла в виде набора атомных и молекулярных координат, которые были сохранены в HyperChem в собственном формате файла (файл с расширением HIN ) или в фор-

мате белкового банка данных Brookhaven Protein Data Bank (файл ENT ), а также в ряде других форматов. Для открытия HIN файла с молекулярной структурой: 1. Левой кнопки мыши ( L-нажатие ) откройте меню File. 2. В меню выберите Open (Открыть). 3. Появляется список файлов в диалоговом окне, среди которых необходимо выбрать нужный и открыть его L-нажатием кнопки Открыть . Рис. 1.3. Диалог открытия файлов внутреннего формата HIN с примерами молекул из папки Samples Если файл, который Вы хотите увидеть, находится не в текущей директории Samples (встроенном в программу каталогесправочнике химический соединений), то просто измените директорию или диск. Чтобы появилась молекула фуллерена С 60 , как на рис. 1.4, выберите в директории Samples > Aromatic файл c60.hin . Вы можете также открывать файл двойным щелчком на имени файла. 2.4. Использование дисплейных установочных параметров HyperChem автоматически использует дисплейные установочные параметры с последнего сеанса работы. Выбрать или изменить дисплейные установочные параметры можно, используя команды пункта меню Display (Экран ).

Дегтяренко Описание программных пакетов для квантовых расчетов наносистем 2008

состоянии с мультиплетностью, соответствующей полному отсутствию валентных связей в системе, в качестве стартового приближения для МО рекомендуется использовать приближение Хюккеля. После расчета из файла PUNCH необходимо извлечь альфа-группу орбиталей, которая послужит стартовым приближением для последующих MCSCF или CI расчетов. После вставки полученного $VEC блока, атомы системы можно вернуть в их изначальное положение. 1.8.2. Визуализация орбиталей в ChemCraft При построении РПМО большую роль играет внешний вид орбиталей, по которому их можно отнести к тому или иному классу симметрии. Для визуализации орбиталей в ChemCraft предусмот- рена специальная процедура: Tools >> Orbitals >> Render Molecular Orbitals (рис.1.8). В открывшемся окне нужно выбрать необходимые для визуализации орбитали, а также точность изображения (параметр Map points per angstrom) и радиус обрезания (параметр Map size expansion). Управление изображением находится в нижнем левом углу окна. Рис. 1.8. Визуализация изоповерхности молекулярных орбиталей в программе ChemCraft Для отображения изоповерхностей выбранной орбитали необходимо выбрать ее в левом окне и нажать Show isosurface в меню 51

управления изображением. При стандартном выборе цветовой гаммы, область, помеченная розовым цветом, соответствует области с положительным значением волновой функции, а синим – отрицательным. 1.8.3. Теория возмущений Следующим методом, учитывающим электронную корреляцию и реализованным в Gamess, является метод уточнения энергии системы по теории возмущений (ТВ). Напомним основные принципы данной теории. ТВ использует тот факт, что в ряде задач гамильтониан системы Н можно представить в виде суммы гамильтониана более простой «невозмущенной» системы Н 0 и малого возмущения Н’ : Н = Н 0 + Н’ . Предполагается, что разница между точным решением с использованием гамильтониана Н и приближенным с использованием гамильтониана Н 0 невелика и что уравнение Шредингера для Н 0 решено, т.е. известны все собственные функции <ψ 0 >и энергии . Далее находятся поправки различного порядка, связанные с возмущением. (Поправка второго порядка к энергии основного состояния всегда отрицательна.) Более подробно ознакомиться с теорией возмущений (ТВ) можно в книге Л.Ландау, Е. Лифшиц «Квантовая механика». Если H 0 – оператор Фока, то приходим к теории возмущений Меллера-Плессета (MP), где самая низкая, отличная от нуля поправка к энергии ХФ, имеет второй порядок (MP2). Это приближение довольно надежно и по времени расчета близко к затратам по методу ХФ. Поэтому здесь допустимо использование довольно больших базисов с включением поляризационных и диффузных функций. Более высокие уровни MP теории возмущений уже сложны и требуют большого компьютерного времени. К недостаткам теории возмущений относят то, что MP дает невариационное решение, а потому полученное значение E корреляц. может оказаться завышенным, а также тот факт что MP является надстройкой над методом ХФ и поэтому часто дает неправильное описание процесса диссоциации соединений. Рассмотрим реализацию ТВ в Gamess: 52

Переменная MPLEVL из блока $CONTRL указывает порядок используемой теории возмущения. = 0 – теория возмущения не используется. =2 – используется теория возмущения второго порядка. Подключается блок $MP2. Доступные значения переменной SCFTYP: RHF, UHF, ROHF и MCSCF. ( В случае MCSCF вместо блока $MP2 подключается блок $MCQDPT ). Доступные значения переменной RUNTYP=ENERGY, TRUDGE, SURFACE; значения GRADIENT, OPTIMIZE, HESSIAN становятся доступными после подключения следующего блока: $P2P p2p=.t. dlb=.t. $end =3 – используется теория возмущений второго порядка. Подключается блок $MP3. Доступные значения переменной SCFTYP: RHF. Доступные значения переменной RUNTYP=ENERGY. = 4 – используется теория возмущения второго порядка. Подключается блок $MP4. Доступные значения переменной SCFTYP: RHF. Доступные значения переменной RUNTYP=ENERGY Переменные, входящие в состав блоков $MP2, $MP3, $MP4, не оказывают существенного влияния на ход решения, поэтому не будем их описывать, в случае необходимости читатель может изучить их самостоятельно. 1.9. Использование метода функционала плотности (DFT) Рассмотрим реализацию DFT в Gamess: Активация DFT алгоритма производится присваиванием переменной DFTTYP из блока $CONTRL аббревиатуры необходимого функционала, например DFTTYP=SLATER . Доступные функционалы: 1. Только обменные функционалы: SLATER – Slater; B88 – Becke 1988; XPW91 – Perdew-Wang 1991; GILL96 – Gill 1996; XPBE96 – Perdew-Burke-Ernzerhof 1996. 53

2. Только корреляционные функционалы (с учетом Хартри- Фоковского обмена): LYP – Lee-Yang-Parr 1988; VWN1RPA – VWN formula 1 RPA LDA; VWN5 – VWN formula 5 LDA; PW91LDA – Perdew-Wang 1991 LDA; CPBE96 – Perdew-Burke-Ernzerhof 1996 nonlocal + PerdewWang 1991 LDA; CPW91 – Perdew 1991 nonlocal + Perdew-Wang 1991 LDA correlation. 3. Обменно-корреляционные функционалы, представлены в следующем виде [обменная часть]-[корреляционная часть]: SLYP – [Slater]-[Lee-Yang-Parr 1988]; BLYP – [Becke 1988]-[Lee-Yang-Parr 1988]; GLYP – [Gill 1996]-[Lee-Yang-Parr 1988]; XLYP – [Slater, Becke 88, Perdew-Wang 91]-[Lee-Yang-Parr 1988]; SVWN1RPA – [Slater]-[VWN formula 1 RPA]; BVWN1RPA – [Becke 1988]-[VWN formula 1 RPA]; SVWN5 – [Slater]-[ VWN formula 5]; BVWN5 – [Becke 1988]-[VWN formula 5]; PBE96 – [Perdew-Burke-Ernzerhof 1996]-[Perdew-Burke- Ernzerhof 1996 nonlocal, Perdew-Wang 1991 LDA]; PBEPW91 – [Perdew-Burke-Ernzerhof 1996], [Perdew 1991 nonlocal, Perdew-Wang 1991 LDA]; PW91 – [Perdew-Wang 1991]-[Perdew 1991 nonlocal, PerdewWang 1991 LDA]. 4. Гибридные функционалы: B3LYP1 – B3LYP + VWN formula 1 RPA; B3LYP5 – B3LYP+VWN formula 5; X3LYP – [Slater, Becke 88, Perdew-Wang 91]-[VWN formula 1 RPA + Lee-Yang-Parr 1988]; BHHLYP – [ Becke 1988]-[ Lee-Yang-Parr 1988]; PBE0 – [Perdew-Burke-Ernzerhof 1996]-[Perdew-Burke- Ernzerhof 1996 nonlocal ]-[Perdew-Wang 1991 LDA]; PBE1PW91 – [Perdew-Burke-Ernzerhof 1996]-[Perdew 1991 nonlocal, Perdew-Wang 1991 LDA]; 54

B3PW91 – [Slater, Becke 1988]-[Perdew 1991 nonlocal, Per- dew-Wang 1991 LDA]. Наиболее востребованными на данный момент являются гибридные функционалы типа B3LYP . При использовании DFT в Gamess активируется дополнительный блок $DFT, который не оказывает существенного влияния на ход решения, поэтому не будем его описывать. В случае необходимости читатель может изучить их самостоятельно. 55

РАЗДЕЛ 2 КОМПЛЕКС КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ HYPERCHEM 2.1. Возможности комплекса HyperChem – комплексный программный продукт, предназначенный для задач квантово-механического моделирования атомных структур. Он включает в себя программы, реализующие методы молекулярной механики, квантовой химии и молекулярной динамики. Силовые поля, которые могут использоваться в HyperChem – это ММ+ (на базе ММ2), Amber, OPLS и BIO+ (на базе CHARMM). Реализованы полуэмпирические методы: расши- ренный метод Хюккеля, CNDO, INDO, MINDO/3, MNDO, AM1, PM3, ZINDO/1, ZINDO/S. Представлены неэмпирические методы расчета и методы функционала плотности. Все результаты квантово-химических расчетов, представленные в данной главе, могут быть получены с использованием различных версий программы HyperChem. Рис. 2.1. Общий вид окна и основного меню программы HyperChem 56

Главное окно программы HyperChem представлено на рис. 2.1. Вверху экрана располагается основное меню, чуть ниже него находится панель управления. Окно посередине – поле визуализации. Здесь отображаются все загружаемые или создаваемые исследователем наноструктуры. По умолчанию поле визуализации имеет черный фон. При желании цвет фона можно изменить, например, на более привычный белый, в пункте Preferences (Настройки) главного меню File (Файл). В нижней части экрана располагается статусная строка, в которой, в зависимости от режима работы программы, отображается ход вычислительного процесса, подсказки или результаты вычислений. В правом углу строки состояния высвечивается сокращенное название модуля вычислительного алгоритма, который в данный момент используется программой. Принцип работы программы таков, что для конкретной молекулярной модели, загруженной в окне визуализации, можно решать однотипные задачи, например, минимизировать энергию молекулы, используя различные методы. Выбор метода производится в пункте Setup основного меню. В частности, словосочетание Ab Initio в правом нижнем углу экрана на рис. 2.1 означает, что рабочим расчетным методом в данный момент является неэмпирический кван- тово-химический метод. Данный пакет предназначен в первую очередь для решения вычислительных задач компьютерной химии, нанофизики. Пакет программ HyperChem позволяет проводить неэмпирические и полуэмпирические расчеты электронных, спектральных и магнитных характеристик молекул, межмолекулярных комплексов и наноструктур, а также вычислять энергию переходных состояний комплексов, расчеты электронных и колебательных спектров, характеристики систем в гидратной или сольватной оболочках, производить простейшие расчеты характеристик кристаллов. Последняя версия 8.0 содержит, как и предыдущие, графический редактор, большую базу данных по строению молекул, наносистем, нуклеотидов, полимеров, элементарных ячеек и способна считать методами ab-initio SCF (UHF и RHF), функционала плотности (DFT) с использованием разных обменно-корреляционных потенциалов. Достаточно большой набор различных методов молекулярной механики, полуэмпирических методов и всевозможные типы 57

базисов, используемые в ab initio расчетах, включая расщепленные и поляризованные, обеспечивают широкий спектр вычислений. К сожалению, ab initio расчеты даже в базисе 3-21G требуют значительных ресурсов оперативной, общей памяти ЭВМ, большой мощности процессора. Несомненным преимуществом программы HYPERCHEM является возможность наглядного изображения графической структуры молекулы и изменение геометрических параметров при оптимизации системы, а также визуализация полученных в результате расчетов молекулярных орбиталей, относительной интенсивности электронных 0-0 переходов, потенциалов в двумерном и трехмерном изображении и анимация колебательных мод. Большая база данных позволяет построить белки, полимеры, фрагменты ДНК, нанокластеры металлов, металлоорганических соединений. 2.2. Эмпирические методы расчета 2.2.1. Методы молекулярной механики (ММ+, AMBER, BIO+, OPLS) Выбор в меню пункта Setup и метода молекулярной механики (рис.2.2) позволяет использовать классический ньютоновский метод для нахождения: энергии химического соединения, равновесной геометрии и молекулярной динамики объектов. В методе молекулярной механики атомы рассматриваются как ньютоновские частицы, которые взаимодействуют друг с другом посредством эмпирически задаваемых потенциальных полей. Потенциальная энергия взаимодействия зависит от взаимодействующих атомов, длины и углов связей, торсионных углов и нековалентных взаимодействий (сил Ван-дер-Ваальса, электростатических взаимодействий и водородных связей). В этих расчетах силы, действующие на атомы, представляются в виде функций координат атомов. Примечание: если в рабочей области выделена только часть системы, в этом случае в расчет будут включаться взаимодействия только выделенной части. При оптимизации геометрии и расчетах методом молекулярной динамики, только атомы выделенной части будут менять свое положение в пространстве, тогда как невыде- 58

ленные – нет, при этом в расчетах будут учитываться потенциальные взаимодействия между частями системы. Для начала расчетов методом молекулярной механики в диалоговом окне необходимо выбрать Force fild (Силовое поле) – потенциальную функцию для расчетов. Можно выбрать один из четырех методов ( MM+, AMBER, BIO+, OPLS ), ссылки на которые можно увидеть в диалоговом окне. Метод MM+ разрабатывался для органических молекул. Он учитывает потенциальные поля, формируемые всеми атомами рассчитываемой системы, и позволяет гибко модифицировать параметры расчета в зависимости от конкретной задачи, что делает его, с одной стороны, наиболее общим, а с другой – резко увеличивает необходимые ресурсы по сравнению с другими методами молекулярной механики. Ряд возможностей для изменения параметров этого метода можно получить, выбрав кнопку Options в пункте выбора Силового поля (Force field). Метод AMBER разрабатывался для белков и нуклеиновых кислот. В нем существует возможность выбрать опцию либо учета всех атомов по отдельности, либо опцию объединенного атома, под которым подразумевается группа эквивалентных атомов с одинаковыми свойствами. В последнем случае несколько атомов или их группа обрабатываются как один атом с одним типом. BIO+ – разрабатывался для биологических макромолекул и во многом повторяет AMBER. OPLS – разработан для белков и нуклеиновых кислот. Он подобен AMBER, но более точно обрабатывает нековалентные взаимодействия. Рис. 2.2. Диалоговое окно молекулярной механики MM+ Options 59

Диалоговое окно ММ+ содержит набор настроек для соответствующего силового поля. Electrostatics (электростатика) – нековалентные электростатические взаимодействия рассчитываются с использованием взаимодействий дипольного типа или частичных атомных зарядов. Bond dipoles – используется для расчетов нековалентных электростатических взаимодействий. Значение этого параметра определяется в файле параметров MM+. Atomic charges – используется для расчетов нековалентных электростатических взаимодействий. Можно задавать неполные (частичные) атомные заряды посредством меню Build, пункта Set Charge, или можно использовать результаты полуэмпирических или ab initio расчетов, в рамках которых рассчитываются частичные заряды для каждого атома методом Малликена. Cutoffs (ограничение) – данный параметр определяет максимальное расстояние для нековалентных взаимодействий. Switched – вводит сглаживающую функцию при расчетах молекул в Periodic. Box (периодический ящик) – вводит периодические условия по трем декартовым координатам. Этот подход позволяет плавно уменьшать слабые взаимодействия вплоть до нуля, перемещаясь из внутренней области во внешнюю. В этом случае Hyper Chem устанавливает параметр Switched и значения внутренней (Inner) и внешней (Outer) сфер (Spheres). None – этот параметр устанавливается для расчета свойств систем в вакууме. Shifted – вводит сглаживающую функцию, которая действует на все пространство от 0 до внешней сферы. Эта функция позволяет плавно уменьшать нековалентные взаимодействия до 0. Outer radius – для параметров Switched и Shifted определяет максимальное расстояние, на котором нековалентные взаимодействия становятся равными 0. Обычно, это значение выбирается не менее чем на 4 A больше, чем внутренний радиус. Для периодических граничных условий это значение равно половине минимального размера периодического ящика. Inner radius – выбирается только в случае установки Switched cutoffs. Это максимальное межатомное расстояние для полного учета нековалентных взаимодействий. В случае выбора 60

Как поменять фон в hyperchem