Cvièení { zonální tavba NaCl
1/20 pch04
Evropský sociální fond þPraha & EU: Investujeme do va¹í budoucnostiÿ
Inovace pøedmìtu Poèítaèová chemie je podporována projektem CHEMnote (Inovace bakaláøského studijního programu Chemie { moderní vzdìlávání podpoøené pou¾itím notebookù { CZ.2.17/3.1.00/33248) v rámci Operaèního programu PRAHA { ADAPTABILITA.
Bod tání modelu NaCl
2/20 pch04
Úkol: Stanovte bod tání modelu NaCl metodou zonální tavby Model: Lennard Jones + náboje1 Postup: pøipravte nanokrystalek 2 × 2 × 2 minimalizací klastru Na+ a Cl− ve vakuu replikujte tento motiv 3 × 3 × 3 krát a simulujte krystal v periodických okrajových podmínkách stanovte hustotu a radiální distribuèní funkci krystalu roztavte a stanovte hustotu a radiální distribuèní funkci taveniny replikujte krystal 1 × 1 × 3 krát a roztavte polovinu boxu simulujte za dané teploty a sledujte, zda krystal narùstá èi se taví 1
In Suk Joung and Thomas E. Cheatham, III: J. Phys. Chem. B 112, 9020{9041 (2008)
Pøipojení na vzdálený poèítaè
3/20 pch04
Pou¾itý software MACSIMUS (a mnoho dal¹ích) funguje pod systémem linux. Pro pøístup pod Windows musíte mít: Terminál s pøíkazovým øádkem (PuTTY) Windows Start → hledat → putty a program spus»te. Host name → 1 z poèítaèù 403-a324-01, 403-as67-01, as67-1 { nefunguje menu, jen hot keys, a325-1 { max 4 u¾ivatelé Connection → SSH [→ Tunneling] → X11 → x Enable X11 forwarding zpìt Session → Open Login as: guest máte-li, pou¾ijte vlastní úèet Password: sdìlím na místì (v prùbìhu psaní se nic nedìje { ¾ádné ***) X server pro zobrazení gra ky (Xming) Windows Start → hledat → xming a spus»te V¹echny dotazy potvrdit. Ve stavovém øádku se musí objevit ikona
Test pøipojení
4/20 pch04
Základním zpùsobem práce pod Unixem/Linuxem je pøíkazový øádek, co¾ je vstup interpretu pøíkazù (shellu): napí¹ete pøíkaz a stisknete Enter . Zaèátek øádku (napø. guest@a325-1:~$ ) se nazývá prompt. Celé okno s promptem a výstupem se nazývá terminál. Pokud chcete pøedchozí pøíkaz opravit a spustit znova, pou¾ijte kurzorovou ¹ipku nahoru a opravte. Jako test, ¾e pøipojení je v poøádku, zkuste: guest@a325-1:~$ xclock
Zobrazí se hodiny. Hodiny zru¹te buï my¹í × , nebo stiskem Ctrl-c v oknì terminálu. Nevidíte hodiny??? Nejsou ikonizované? Hledejte dole na li¹tì. Za¹krtli jste X11 forwarding pøi startu PuTTY? Vidíte ikonu ve stavovém øádku? Restartujte PuTTY a/nebo Xming. Restartujte Windows...
(Start: pro ty, kdo mají vlastní úèet na klastru) Zalo¾te si slo¾ku a rozbalte data: mkdir vase slozka cd vase slozka unzip /home/guest/A.zip
Pak musíte nastavit prostøedí: Pokud pou¾íváte bash: source env.sh Pokud pou¾íváte tcsh: source env.csh Pokud nevíte, jaký shell máte: ps x
5/20 pch04
Midnight Commander
6/20 pch04
Je nadstavba shellu podobná aplikaci Total Commander (Windows Commander) vhodná pro u¾ivatele zvyklé na Windows. nastartujte Midnight Commander pøíkazem guest@a325-1:~$ mc
Z dùvodu ostatních u¾ivatelù mù¾e být obrazovka v nestandardní pozici. Pomocí Tab pøejdìte na panel, který má nahoøe vlnovku (~)2. zobrazit výpisy na obrazovku/commander (pøepínaè) Ctrl-o spravit rozbitou obrazovku (po výstupu) Ctrl-l prohlí¾ení souboru (mù¾e být pøede nováno) F3 editace textového souboru F4 menu F9 start asociované aplikace, zmìna slo¾ky Enter, doubleclick ukonèit Midnight Commander F10 Simulaèní soubory jsou asociovány s aplikacemi (viz pøílohy na konci) 2
Vlnovka znaèí domovskou slo¾ku u¾ivatele, zde ~ = /home/guest.
Start: guest
7/20 pch04
Skript je sada pøíkazù v interpretovaném programovacím jazyce. Simulaèní cvièení je pøipraveno ve formì skriptù v jazyce bash (stejný, jaký interpretuje pøíkazy va¹eho shellu). Konvenèní koncovka bash-skriptu je .sh, èasto je oznaèen *, co¾ znaèí spustitelnost. Skripty budete postupnì spou¹tìt { nejlépe z prostøedí Midnight Commanderu. Nastavení prostøedí u¾ivatele: Spus»te skript A.sh. Proto¾e jste v¹ichni jeden u¾ivatel guest, musíte pracovat ka¾dý ve vlastní slo¾ce. Skript se vás proto zeptá na jméno slo¾ky, kterou zalo¾í a do které zkopíruje potøebné soubory. V této slo¾ce budete dále pracovat. Po skonèení skriptu A.sh najdìte svou slo¾ku a pøejdìte do ní. Objeví se sada skriptù.
A01-Na4Cl4.sh
(nanokrystalek)
8/20 pch04
Spus»te skript A01-Na4Cl4.sh. Nastartuje se program pro molekulové modelování (a pøípravu silového pole) blend. Návod viz dal¹í stránka. Úkoly: studujte rùzné klastry pøipravte krystalek 2 × 2 × 2 umístìte ho rovnobì¾nì s osami Triky pro editaci: { Klik na køí¾ek uprostøed atomu ho oznaèí. { Edit/Move marked v menu (nebo m ) pøepíná, co se my¹í pohybuje. { Pro 3D editaci musíte neustále otáèet celou kon guraci a posunovat oznaèenými atomy. { Pak dooptimalizujete klastr pomocí Minimization/Minimize (nebo , ) { Ukonèit a ulo¾it = Minimization/Go3 (nebo . ) { Podrobnìj¹í návod viz následující stránka. Po úspì¹né editaci by se mìl vytvoøit soubor na4cl4.plb. Pokud budete mít velké problémy, mù¾ete pou¾ít cheat-A01.sh
3
nebo Save+Quit
Návod k programu blend
9/20 pch04
my¹ posun (drag): levá = toèit, prostøední (tj. koleèko) = posun, pravá = toèit/velikost my¹ click: levá = oznaèit, prostøední = po vazbách (netøeba), pravá = odznaèit my¹ koleèko: vìt¹í/men¹í panel/tlaèítko klávesnice Funkce Display mode/ = møí¾ka (po 1 A) Projection/ Home End zmìna perspektivy Ball size r R zmìna velikosti atomù Minimization/Minimize , minimalizace energie (100×c.g.) ; minimalizace (komb. metoda) Minimization/Random : náhodný posun + minimalizace Edit/Move marked m pohyb výbìr ↔ v¹echno I oznaèené ↔ neoznaèené Minimization/Go . Zde: Ulo¾ a skonèi Esc nepou¾ívej (pøíkazový øádek blendu)
A02-repl.sh
(pøíprava krystalku Na108Cl108)
10/20 pch04
V dal¹ím kroku pomno¾íme krystalek 3× v ka¾dém smìru a necháme chvilku simulovat za teploty 300 K a tlaku 1 atm. Zaøídí to skript A02-repl.sh. K tomu je potøeba jednak de nice silového pole (pøipraví se sama), jednak de nièní soubor simulace. Pro zvý¹ení umìleckého dojmu si ho mù¾ete prohlédnout na následující stránce. Pokud jste ¹patnì vyrobili mikrokrystalek, simulace zhavaruje nebo nedostanete krystal, ale kapalinu. Pokud se toto stane, zkuste cheat-A01.sh a opakujte. Návod na prohlí¾eè molekul viz +2 stránky
cryst300.def
{ de nièní soubor první simulace
11/20 pch04
n=108 ! pomocna promenna N[0]=n N[1]=n ! pocet Na+ a Clrho=2050 ! referencni hustota [kg/m3] cutoff=8.607 ! elst cutoff (pro Ewaldovu sumaci) [A] LJcutoff=cutoff ! Lennard-Jones cutoff [A] rdf.grid=20 ! mereni struktury (rad. distr. f.) [1/A] el.epsk=2 el.epsr=0.4 ! presnost vypoctu elst. sil [K/A] el.diff=0.3 ! omezi urcita varovani o presnosti noint=30 h=0.1/noint ! pocet kroku/cyklus a delka kroku [ps] no=100 ! pocet cyklu dt.plb=1 ! jak casto se bude zapisovat "playback" [ps] thermostat="Andersen" ! nahodne stouchance (Maxwell-Boltzmann) T=300 ! teplota [K] (bude zmeneno) tau.T=1 ! casova konstanta termostatu [ps] P=101325 ! tlak [Pa] bulkmodulus=2e13/(T+300) ! odhad modulu pruznosti (pro barostat) tau.P=2 ! konstanta barostatu [ps] init="start" ! start z predch. konfig.; nove mereni a zaznam ! TOHLE BUDE SMAZANO PO PRVNIM KROKU: load.n[0]=3 ! pomnozit 3x ve smeru x load.n[1]=3 ! pomnozit 3x ve smeru y load.n[2]=3 ! pomnozit 3x ve smeru z ; ! konec dat
Prohlí¾ení trajektorie { program show
12/20 pch04
Ovládání my¹í je podobné jako pro blend. Vybrané funkce, které by mohly èinit potí¾e: panel/tlaèítko klávesnice Funkce Display mode g G zpùsob zobrazení atomù a vazeb Playback/ | > i pøehraj od zaèátku , zaèátek Playback/ | << Playback/ >> | , konec Misc/Projections = perspektiva ↔ rovnobì¾né promítání Misc/StdRot Tab zobrazí rovnobì¾nì s osami Save Ctrl-s (nepou¾ívej)
Pokud se budete nudit: N + o vyrobí data pro raytracer, spustíte ho s mc kliknutím na soubor.n
A03-cr-ini.sh
(poèáteèní relaxace)
13/20 pch04
Skript se vás zeptá na teplotu, kterou dostanete od vyuèujícího. Vhodný interval teplot je 1200{1400 K. Stejná teplota pak bude pou¾ita i v kroku A09. Na grafech velièin v závislosti na èase vidíme, zda máme systém zrelaxovaný do rovnováhy. Zobrazeny jsou závislosti teploty, potenciální energie a hustoty na èase. Grafy zru¹íte nejrychleji prostøedním my¹ím tlaèítkem. Funguje i Esc , Alt-F4 , × 4. Pokud grafy stále vykazují trend, nutno tento krok opakovat. Nejpomaleji konverguje hustota; pokud se mìní jen o ± 10 kg/m3, je to OK.
4
nepou¾ívejte K { zru¹í grafy i kolegùm!
A04-cr-sim.sh
simulace v rovnováze
14/20 pch04
Spustíme simulaci s vytvoøeným krystalem je¹tì jednou a budeme mìøit. Proto¾e simulace bude del¹í, bude spu¹tìna nikoliv na serveru, ale dávkovì na nìkterém z klientù klastru (neplatí pro a325-1). A05-cr-view.sh
prohlí¾ení výsledkù
1=show (video trajektorie) 2=konvergenèní pro ly (velièiny v závislosti na èase) 3=radiální distribuèní funkce (kliknutím do grafu pravou my¹í si zobrazíte význam barev) 4=kumulativní distribuèní funkce (running coordination number) = poèet sousedù daného iontu do dané vzdálenosti (kliknutím do grafu pravou my¹í si zobrazíte význam barev)
A06-melt-ini.sh
tavení krystalu
Teplota je nastavena na 1900 K. Opìt sledujte, zda je systém v rovnováze. A07-melt-sim.sh
simulace taveniny
Simulace zrelaxované taveniny bude provedena dávkovì na klastru. A08-melt-view.sh
prohlí¾ení výsledkù
Podobné jako v pøípadì krystalu.
(Body A06{A08 mù¾ete pøeskoèit a pokraèovat bodem A09.)
15/20 pch04
A09-zone-ini.sh
Pøíprava zonální tavby
16/20 pch04
Krystal pøipravený v bodech A03 a¾ A05 bude zreplikován tøikrát ve smìru osy z. Výsledný krystal bude je¹tì trochu prota¾en ve smìru z. Bude zapnut speciální typ termostatu, který bude prostøedek krystalu zahøívat a þkonceÿ (jsou periodicky spojeny) chladit. Tím dostaneme vrstvu ve smìry osy z krystalu a vrstvu taveniny (tzv. þslab geometryÿ). Velikost boxu ve smìrech x a y je konstatní a dána prùmìrnou hodnotou ze simulace krychlového krystalu. Tento krok je opìt spu¹tìn dávkovì. Trik: strukturu lépe uvidíte, pokud pou¾ijete rovnobì¾né promítání (Misc/Projections nebo = ) a men¹í koule (Ball size nebo r ).
A10-zone-sim.sh
Zonální tavba
17/20 pch04
Kon gurace z pøedchozího kroku bude simulována za konstantní teploty a konstantního tlaku ve smìru osy z. Ve smìrech x,y se velikost simulaèní buòky nemìní. Simulace bude spu¹tìna na nìkterém z klientù klastru. A11-zone-show.sh
prohlí¾ení trajektorie
Trajektorii zapisovanou bì¾ící simulací je mo¾né prohlí¾et. Sledujte, zda krystal taje nebo narùstá. Po zavøení programu show budete dotázáni, zda pøeru¹it simulaci.
A12-prubeh.sh
Prùbìh tavby
18/20 pch04
Zobrazí se graf závislosti hustoty na èase pro právì probìhlou simulaci. Tvùj výsledek je bíle a tuènì. Výsledky ostatních na stejném poèítaèi jsou barevnì a tence.
Po provedení v¹ech cvièení: úklid Sma¾te svou slo¾ku pomocí F8 Peèlivì zkontrolujte, zda nema¾ete slo¾ku nìkoho jiného! Vyskoète z Midnight Commanderu ( F10 ) a shellu (exit Enter )
Dodatek: Linux command prompt survival kit
19/20 pch04
odhlá¹ení exit pøehled nedávno zadaných pøíkazù history zmìna slo¾ky (adresáøe) cd SLO®KA | zpìt cd .. výpis souborù ve slo¾ce ls | nìkterých podrobnì ls -l a*.g výpis obsahu (krátkého ASCII) souboru cat SOUBOR smazání souboru rm SOUBOR kopírování souboru (KAM=soubor n. slo¾ka) cp SOUBOR KAM pøesun èi pøejmenování souboru mv SOUBOR KAM editace (nového nebo starého) souboru mcedit SOUBOR pøeru¹ení bì¾ícího programu Ctrl-c Nevidíte-li prompt, proto¾e ho pøekryl text, stisknìte Enter . Ctrl-c v terminálu není þCopyÿ, ale pøeru¹uje bì¾ící program! Text v terminálu se po oznaèení kopíruje pravým tlaèítkem my¹i.
Dodatek: typy souborù
20/20 pch04
Nìkteré typy MACSIMUS souborù a asociované aplikace. Asociovaná aplikace se spustí z mc dvojklikem nebo Enter. Dal¹í asociovaná aplikace (jiná funkce) pak F3 Z pøíkazového øádku pøíkazem start, dal¹í pak starts typ obsah .che chem. vzorec
aplikace blend
akce editace, minimalizace od zaè. F3 = viz vý¹e + normální vibraèní módy .mol mol. topologie blend editace, minimalizace .plb trajektorie show prohlí¾eè trajektorie .cp konv. pro l showcp,plot zobrazí konvergenèní pro ly .cfg kon gurace showcfg,plot zobrazí kon guraci .sta namìøená data staprt statistická analýza výsledkù (F3=podrobnì) .rdf párový histogram rdfg,plot zobrazí radiální distribuèní funkce F3 = kumulativní f. (koordinaèní èíslo) .g RDF plot zobrazí radiální distribuèní funkci .cn kumul. RDF plot zobrazí (kumulativní) distribuèní funkci .def parametry simulace go provede pøíkaz v 1. øádku .get øízení simulace go provede pøíkaz v 1. øádku .n data scény ray renderuje a zobrazí scénu
