Пишу о своей жизни, науке и компьютерах.
2 заметки с тегом

расчеты

Электронная плотность и электрический потенциал для бета-аланина

23 марта 2013, 16:42

С помощью квантово-химических расчетов можно получать значения электронной плотности и электростатического потенциала в пространстве. Иногда получаются достаточно симпатичные визуализации. Картинка ниже получена при помощи программы MacMolPlt для молекулы β-аланина. Здесь плоскость, на которой изображен контурный график, проходит через азот 1, углерод 2 и водород 9. Красным отмечены изолинии положительного потенциала, синим — отрицательного, а черным — электронная плотность.

Beta-alanine

Из таких графиков достаточно легко можно судить о структуре электронных оболочек и предсказывать характер электростатических взаимодействий. Также можно сравнивать различные функциональные группы между собой.

Чтобы получить такой график в GAMESS или Firefly необходимо выполнить расчет задачи с типом RUNTYP=HESSIAN, затем добавить поверхности с контурами в программе MacMolPlt.

Входной файл можно скачать по ссылке: beta-alanine_hessian.inp.

Квантово-химические расчеты

18 декабря 2011, 13:58
Чтобы не ужасать читающих, я для начала поясню что такое квантово-химические расчеты. Как известно, все окружающие нас вещества состоят из малых частиц: молекул, атомов, протонов, электронов и еще целого зоопарка других. Для описания всего этого многообразия в начале XX века ученые развили аппарат квантовой механики. Основная идея которой заключается в использовании для чистых состояний волновых функций или матрицы плотности для смешанных, через которые можно вычислить плотность вероятности найти частицу в пространстве. Но так как системы составленные из названных выше частиц чрезвычайно сложные, решить уравнение Шредингера аналитически не представляется возможным.

Но сделав ряд допущений и упрощений можно перейти к довольно большой системе уравнений. Процедура перехода от настоящего уравнения Шредингера с гамильтонианами учитывающими все взаимодействия к более простой модели хорошо описана, например, в книжке «Теория строения молекул» Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев Р.М.. Есть очень много литературы, которая поможет разобраться в этом переходе, но основные идеи в ней полностью совпадают. Таким образом вся задача сводится к расчетам на компьютере.

При помощи квантово-химических расчетов можно определять оптимальную геометрию системы, колебательные спектры, энергии основных состояний, термодинамические параметры (хотя одно из приближений приводит к тому, что ядра атомов не движутся, а следовательно температура равна абсолютному нулю), параметры электрических полей и распределения электронной плотности. Совместное использование расчетов и экспериментальных методов приводит к получению новых данных и позволяет проверить или объяснить результаты экспериментов. Также есть куча программного обеспечения, при помощи которого можно запросто сделать такие картинки, как ниже, а если нарисовать еще и поверхности с отражением на них, например, частичных зарядов, то получится очень красивая и наглядная иллюстрация к какому-нибудь учебнику.


Программное обеспечение непосредственно для расчетов можно найти как платное, так и бесплатное. Все зависит от возможностей исследователя. Из платного ПО я отмечу Gaussian, а из бесплатного Firefly, потому что с ними я работал и даже напишу позже что-нибудь про то, как это делать. Gaussian стоит очень дорого, но к счастью, СПбГУ купил лицензию хотя бы на старую версию. Обе программы распараллелены и могут запускаться на суперкомпьютерах. Высокая производительность расчетов очень важна для ученых, потому что большие системы или высокая точность влекут за собой большой объем вычислений. Они могут занимать несколько месяцев компьютерного времени на большом количестве процессоров. Такое время намного лучше, чем годами считать на обычном компьютере.

Я занимаюсь растворами простейших аминокислот и применяю КХ-расчеты для определения микроструктуры и параметров электрических полей. Из градиентов полей в местоположениях молекул воды можно определить параметры взаимодействий, которые будут задавать поведение водного окружения.