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Gaussian量化模擬入門教程（二）：實例操作之水分子的結構優化

來源：本站時間：2020-10-16 14:18:45 瀏覽：15397次

注：在未特別說明的情況下，本文中涉及到的所有量化模擬實例均是在本地電腦（Windows系統）建模并生成輸入文件，在服務器（Linux系統）中進行計算，最后在本地電腦進行數據處理和分析。

水分子的結構優化：本文以針對水分子（H2O）的結構優化為例，介紹利用Gaussian軟件進行量化模擬的常規流程。

1、建模

在GaussView軟件中畫出一個水分子的結構模型，如下圖所示。GaussView的操作非常簡單，經過自行簡單摸索即可快速上手。由于是手工建模，所以結構（鍵長、鍵角）必然不是精確且合理的，但只要與真實情況接近即可。

Gaussian量化模擬軟件演示參考圖1

2、生成輸入文件并修改其內容

將該模型保存為H2O.gjf文件。操作流程：File—Save—命名為H2O.gjf并保存至預建的文件夾中，即得到了一個初步的輸入文件。隨后用Notepad++軟件打開H2O.gjf。為了任務的順利進行及計算合理性，需要對輸入文件按照下圖內容進行修改。

*請注意所有命名中不要出現中文字符，不要出現空格?？崭窨捎孟聞澗€代替，例如“H2O_O2.gjf”，“Graphene_NH3.gjf”。

Gaussian量化模擬軟件演示參考圖2

接下來，我們以上圖為例介紹Gaussian輸入文件（.gjf）中所包含的信息，主要涉及到5部分內容：

① 計算資源分配及輸出結果保存部分

“%chk=”命令用于指定計算輸出的.chk文件的命名（H2O.chk）以及保存路徑（./ 在Linux系統中代表當前文件夾，當然也可以寫上完整路徑）。該路徑需實際存在，否則在后續計算過程中會報錯。

事實上這一部分內容可以根據實際需要寫的更為詳細，例如：

%nproc=4

%mem=3000MB

%chk=./H2O.chk

%rwf=./H2O.rwf

表示本次模擬任務使用4核運算，占用內存3000 MB。計算所得的.chk和.rwf文件分別命名為H2O.chk和H2O.rwf，均保存在當前文件夾下。

② 任務的計算方法和內容部分

“#”指以正常形式輸出計算結果。若希望以更為詳細的形式輸出結果，可寫作“#P”，若希望以精簡形式輸出，可寫作“#T”。

“b3lyp”決定本次模擬采用DFT方法并選用b3lyp泛函進行計算。泛函應根據實際需要進行選擇，此處給出的較為通用且精度尚可的雜化泛函。關于泛函的選用，可參考sob老師的文章“http://sobereva.com/272”。若希望采用非DFT的其他方法進行計算，此處可根據需要修改方法關鍵詞。例如，使用Hatree-Fock方法，此處應為“hf”。

“6-31g*”指本次模擬所用的基組。無論是DFT還是HF方法的模擬，均需選擇合適的基組。此處給出的是較為通用且精度尚可的基組。關于基組的選用，可參考sob老師的文章“http://sobereva.com/336”。

“opt”指本次模擬的具體任務為結構優化。Gaussian的關鍵詞較多，除opt外用的較多的包括irc（反應路徑）、freq（振動分析）、scan（勢能面掃描）、scrf（使用隱式溶劑）等。這些命令可根據情況連用，例如“opt freq”表示首先進行結構優化，隨后對優化的結構進行振動分析。若此處不給任何關鍵詞，則默認進行單點能計算。

③ 模擬任務命名

可以修改本次模擬任務的命名，但通常沒必要。根據輸入、輸出文件的名字足以識別任務。

④ 體系的總電荷量和自旋多重度

“0”是指該計算模型的總電荷量為0。該值根據實際計算情況修改即可，例如計算一個Cu2+時為2，計算苯分子時為0，計算一個SO42-時為-2。

“1”是指該計算模型的自旋多重度為0，其計算方法為該體系中“alpha電子數Nα-beta電子數Nβ+1”。該值需根據體系實際情況結合化學常識進行判斷，在無法判斷的時候也可通過預測試來得出合理的值。若該值設定不合理，則計算出來的結構并非基態。這一部分內容會在后文中詳細介紹，此處僅給出一個簡單的判斷標準。對于大多數不包含過渡金屬的基態分子，例如水、苯、SO42-、常規有機體系等均為閉殼層體系，其自旋多重度為1。對于大多數含有過渡金屬的結構、自由基結構、激發態，如二茂鐵、基態氧分子、羥基自由基等，均為開殼層體系，自旋多重度大于1，需做進一步判斷。

⑤ 模型

該體系中包含的1個O原子和2個H原子，以及這三個原子各自的笛卡爾坐標。

⑥ 原子間的連接方式

對比修改前后的輸入文件，可以看到我們刪除了第2行中“geom=connectivity”字樣和11-13行的內容。這些字樣代表原子之間的連接關系，對于量化模擬毫無意義，故而可直接刪掉。這是由于量化模擬會在計算過程中根據原子各自電子云間的交疊情況自主判斷成鍵形式，因此軟件并不關心輸入模型中的化學鍵。換言之，在建模時，水分子中O和H之間畫成單鍵抑或三鍵，對于計算結果沒有任何影響。

*補充說明：輸入文件.gjf內容的最末尾務必保證存在空行，否則在計算過程中會報錯。

3、在Linux服務器中進行模擬

通過SSH遠程連接服務器（圖中使用Xshell和Xftp軟件），Xftp用于在本地電腦和服務器間傳輸文件。在服務器端選擇合適的路徑建立文件夾并重命名為“H2O_opt”后進入該文件夾，將本地電腦端的H2O.gjf文件傳輸至服務器端。

Gaussian量化模擬軟件演示參考圖3

接下來在Xshell端輸入“cd /home/gauss/user/simulation/H2O_opt”并回車，進入該文件夾，隨后輸入“g09 < H2O.gjf > H2O.out”命令即可開始運算。計算過程中注意不要中斷Xshell的SSH遠程連接，否則任務會被強制中斷。為了避免這種狀況，在提交任務運算時可將命令寫為“nohup g09 < H2O.gjf > H2O.out &”。隨后“ctrl+c”切出，并用“exit”命令即可關閉SSH遠程連接而不導致計算任務中斷。

Gaussian量化模擬軟件演示參考圖4

當計算開始后，服務器端即立刻生成H2O.out和H2O.chk文件并根據計算進度不斷更新其內容。在計算過程中，可通過“tail –f H2O.out”命令實時讀取H2O.out文件的更新情況（僅顯示最末尾的數行內容并實時更新），監控計算任務的進度。也可以隨時將H2O.out文件傳輸回本地電腦查看計算進展。若希望中斷該任務，可通過“kill xxx”命令殺掉該任務。其中xxx為該任務的pid，可在Xshell中通過“top”命令查看。

Gaussian量化模擬軟件演示參考圖5

4、導出計算結果文件

計算結束后，H2O.out文件可直接傳輸回本地電腦進行查看，H2O.chk文件則需要先進行處理。這是由于.chk為二進制文件，無法跨平臺閱讀。若直接將H2O.chk文件傳輸至本地電腦后以Notepad++軟件打開，則顯示為亂碼。一般處理方法是在服務器中通過formchk命令，將文件轉化為.fchk，再將其傳輸至本地電腦，即可直接閱讀或通過Multiwfn等程序進行數據分析。

Linux下的轉換方法：formchk H2O.chk，即可生成H2O.fchk文件。

Windows下可直接使用Gaussian軟件自帶的Utilities-FormChk模塊進行轉化，生成對應的.fch文件。

Gaussian量化模擬軟件演示參考圖6

5、輸出文件.out的查看

打開H2O.out文件后托至文檔末尾，可以看到一句名人名言以及計算耗時等信息，表明計算任務順利結束。若任務失敗，則會提示任務失敗并中斷，此時需根據報錯信息來排查可能的問題并修改輸入文件.gjf，重新進行計算。

Gaussian量化模擬軟件演示參考圖7

將H2O.out或H2O.fchk用GaussView打開即可觀看優化的模型。此處應注意，若直接將H2O.out文件用鼠標拖至GaussView中打開，則只會顯示優化所得到的最終模型。若想要觀看整個優化過程中分子結構的變化情況，需按如下步驟操作：GaussView—File—Open—選中H2O.out或H2O.fchk—勾選“Read Intermediate Geometries”—打開，如下圖所示。在打開的窗口中即可逐幀觀察優化過程中H2O分子的結構變化。

Gaussian量化模擬軟件演示參考圖8

此外，在打開的窗口中點擊鼠標右鍵—Results即可選擇查看部分計算信息。例如Summary中包含了當前幀的基本信息（電子自旋、能量等），Optimization可顯示優化過程中體系的能量和平均受力（RMS）變化情況。Charge Distribution中可以查看優化后的分子（即最后一幀）密立根電荷布局情況（Gaussian在進行DFT計算時會自行對結構優化所得的穩定結構進行密立根電荷計算，無需在輸入文件中添加對應關鍵詞）。

灰色的選項意味著我們的計算并未包括相關的信息。假如我們的輸入文件中任務關鍵詞為“opt freq”，即在分子結構優化結束后進行振動分析。那么此時，Results欄中的“Vibrations”可選，從中可以分析分子的所有振動形式及對應的紅外光譜出峰位置，進而生成該分子的理論紅外光譜。

6、檢查點.fchk文件的使用

打開Multiwfn軟件（Version 3.8），將H2O.fchk文件用鼠標拖入，回車即可加載該文件，顯示如下圖所示。接下來根據提示輸入數字即可輸出或顯示希望的數據。Multiwfn分析功能極為強大，且配有詳細的說明書和數據處理案例，可根據需要參考sob老師提供的案例使用。

Gaussian量化模擬軟件演示參考圖9