Úvod. Andrea Marcinková

BAND_navod.doc

Pavel Janderka Andrea Marcinková

Základy modelování a kvantově chemických výpočtů v pevné fázi s programem ADF svazkem BAND Pavel Janderka, Katedra teoretické a fyzikální chemie, [email protected] Andrea Marcinková, Katedra teoretické a fyzikální chemie, [email protected]

Úvod ADF (Amsterdam Density Functional) program, vyvinutý v 70. letech dvacátého století na univerzitě v Amsterdamu, je používán k výpočtu a modelování molekul. Může být využit v různých oblastech vědy jako např. v molekulární spektrometrii, v organické a anorganické chemii, krystalografii, ve farmakochemii, atd. Základem programu je KohnShamova aproximace teorie hustotního funkcionálu (Density-Functional Theory, DFT). Ta zavádí jednoelektronové přiblížení pracující s konkrétní hodnotou elektronové hustoty (plus vlastnostmi s ní související) a hodnotou celkové energie. Programový balík ADF je rozdělen na dva moduly, ADFinput a BANDinput. ADFinput je používán pro výpočet parametrů a modelování molekul v plynném a v kapalném stavu. Pro studium pravidelně se opakujících systémů jako např.: krystaly, polymery a různé povrchy, respektive látky v pevném stavu, je k dispozici BANDinput. Pro oba moduly jsou k dispozici grafická uživatelská rozhraní ADF-GUI a BAND-GUI. Na našem oboru je k dispozici modul ADF-BAND vyvinutý pro výpočty periodických (opakující se jednotný strukturní motiv) objektů, 1D objektů – lineární řetězce (polymery), 2D objektů – vrstvy (slaby) a 3D objektů – krystaly a jejich kombinace (např.: molekula neadsorbovaná na vrstvě). K dispozici jsou verze pro operační systém MS Windows.

Základní rysy BAND modulu Programový modul BAND-GUI je graficky orientovaný program. Grafické prostředí umožňuje pomocí počítačové myši ovládání programu, výstavbu molekulových objektů ručně či s pomocí předdefinovaných struktur, manipulaci s molekulami, odeslání výpočtu do vlastního výpočetního programu BAND a vizualizaci výsledků výpočtů s použitím 2D a 3D grafiky (moduly Band View – rendering objektů, iso-povrchy a iso-řezy, Band Structure – pásová struktura, modul BOB – prohlížení a editování log-file a out-file. Program umožňuje výpočet tvorné energie vzhledem ke stavu izolovaných atomů pomocí početního Herman-Skillman podprogramu, výběr hustotního funkcionálu (DFT) včetně LDA (local density approximation) a GGA (generalized gradient approximation) pro výměnné a korelační členy, použití ZORA metody (zero-order regular approximation) pro výpočet relativistických efektů (TDDFT). Dále je schopen provádět Mullikenovu populační analýzu, Hirshfeldovou nábojovou analýzu, výpočet hustoty stavů (DOS, PDOS, OPWDOS/COOP), krystalografii systémů (simulace RTG struktur), nábojovou analýzu použitím Voronových buněk (yielding Voronoi Deformation Charges), tvary orbitalů a deformace jejich hustoty, tvary křivek na hranách Brillouinových zón, energie jednotlivých elektronů a orbitalů molekuly v Brillouinově zóně. Mimo vlastní molekulové struktury umožňuje program grafickou vizualizaci i řady molekulových indexů (např.: molekulové orbitaly, jejich kvadráty, rozložení elektronových hustot, nábojů a potenciálů formou prostorových sítí, atd.). Program je komplexním prostředkem umožňujícím výstavbu molekulových objektů a manipulaci s nimi, formulaci zadání výpočtu, výpočet a vizualizaci vstupu a výsledků výpočtu. Více informací lze získat na stránkách:

BAND_navod.doc


1. http://www.chem.vu.nl/en/sec/tc - The Vrije Universiteit Amsterdam 2. http://www.cobalt.chem.ucalgary.ca/group/master.html - The University of Calgary 3. http://theochem.chem.rug.nl - Centrum of Theoretical chemistry of Groningen University a v Ref. [1]. Tato publikace je k dispozici na http://cheminfo.chemi.muni.cz/ktfch/janderka/CAMM/CAMM.htm.

Použití programu BAND s zadání problému s grafickým modulem BANDGUI Pozn.: Následující kapitola pouze popisuje základní funkce a postupy při inicializaci a ovládání programu nezbytně nutné pro realizaci základních úloh vyžadovaných v souvislosti s úlohami realizovanými v rámci cvičení. V žádném případě nenahrazuje instrukční manuál k programu, či další zdroje dodané s programem.

Spuštění programu a základní ovládání programu BAND Programový balík BAND lze spustit na katedrovém serveru SAMUEL nebo Sammuel (upřesní vyučující) následujícím postupem: 1. z klientského PC s operačním systémem MS Windows 2000, XP a vyšší s použitím aplikace „Vzdálená plocha“ (Remote Desktop), počítač Samuel.chemi.muni.cz nebo Samuel.chemi.muni.cz. 2. z klientského PC s operačním systémem MS Windows 9x, v tomto případě musí být nainstalována aplikace Klient, která není součástí operačního systému. V tomto případě je příslušná ikona-ikony na ploše monitoru, odkud sew spustí dvojkliknutím myší na zástupce programu označeného SAMUEL nebo SAMMUEL (podle instrukce vyučujícího). První způsob je preferován, neboť aplikace Vzdálená plocha umožňuje dokonalý přenos grafiky programu. 3. V přihlašovacím dialogu použijte Login „Praktikum“. Aktuální Password Vám sdělí vyučující, Pozn.: Pro případ, že je program nainstalován na lokálním PC použijte tohoto návodu až od následující instrukce. Dvojkliknutím myší na ikonu BANDinput se otevře na pracovní ploše okno programu.

1

G. TE Velde, F. M. Bickelhaupt, E. J. Baerends, C. Fonseca Guerra, S. J. A. Van Ginsbergen, J. G. Snijders, T. Ziegler. Journal of Computational Chemistry, Vol. 22, No. 9, 931–967 (2001).

BAND_navod.doc


BANDinput okno se skládá z následujících důležitých částí : • Hlavní lišta s nabídkou funkcí (a) • Molekulový/krystalový editor se seznamem prvků (b) • Kreslící plocha (c) • Sada jiných nabídek (aktuálně Main Options) (d) • Lišta s přehledem příkazů (e) • Lišta zobrazující vlastnosti označených objektů (f)

a) Hlavní lišta s nabídkou funkcí: SCM → Input,View, Band structure, Logfile, Output Input: vložení dokumentu s předem nadefinovanými či právě vypočtenými parametry pro další manipulaci. View: grafické zpracování vypočtených informací týkající se orbitalů a jejich hustot (např.: tvary orbitalů, hustoty, deformace). Band structure: náhled na grafické zpracování vypočtených výsledků (K-body a Fermiho energii). Logfile: načtení jiného souboru k porovnání. Output: dokumentový text s vypočtenými parametry namodelovaného objektu. FILE → New, Open, Insert Coordinates, Export Coordinates, Save, Revert, Save picture, Default picture format, Run, Preferences, Quit Všechny funkce mají obvyklý význam jako ve všech programech. Několik poznámek: Insert a Export Coordinates: program umožňuje načíst obecně platné parametry pro všechny atomy periodického systému (geometrii molekuly, ze souboru.Band), stejně tak výpočtem získané přesnější parametry ukládat (export ..). Save picture: uloží pouze namodelovanou nebo výpočtem upravenou molekulu, nikoli celý soubor se všemi získanými či navolenými hodnotami. Default picture format:můžete zvolit formát (PNG, JPEG, TIFF, BMP, PostScript) ukládaného obrázku (struktury). Run: odstartuje výpočet (otevře se okno: názevsouboru.run)

BAND_navod.doc


EDIT → Undo, Redo, Cut, Copy, Paste, Clear, Group, Ungroup, Set origin, Bond Lenght Constrained, Add (bond, hydrogen), Remove (bonds, hydrogen)Fuse atoms, Select (all, molecule, connected), Guess Bonds, Všechny příkazy uplatňující se při tvorbě molekuly mají obvyklý význam, jako v ostatních programech. VIEW → Reset view, Fly To Selection, Align Screen, Mouse as, Axes, Molecule Resolution, Show Bond Type, Background, Periodic, Tip Of The Day Reset view: obnovení náhledu. Fly To Selection: zvětší označenou část nebo celou namodelovanou molekulu. Align Screen: vrátí zvětšený obrázek do původního stavu. Mouse as: rotace molekuly přidržením levého tlačítka myši-manuálně při volbě Trackball, automaticky při volbě Joystick. Background: umožňuje volbu barvy pozadí. Periodic: při spuštění programu se na kreslící ploše objeví mřížka, která by mohla při tvorbě struktury překážet. Lze ji zrušit odkliknutím show periodic, show vectors (před výpočtem nutno vrátit) MODEL → Coordinates, Relativistic, XC Functional Zadání parametrů mřížkových konstant – vektorů, absolutních poloh atomů v mřížce, typu relativistické korekce u těžkých atomů a typu výměnné a korelační korekce. PROPERTIES → DOS, Response Týká se vložení a úprav vlastností namodelovaného objektu (pozice atomu v mřížce, vzdálenost atomů, polarizovatlenost, dielektrické vlastnosti, atd.). DETAILS → Basis, Files (Restart), SCF, Technical, User Input Volba vlastností (namodelované molekuly) či kritérií (početní metody), které chceme zahrnout do výpočtu

c) Pracovní plocha - Klikneme myší do kreslící plochy mimo molekulu: Levým Ctrl-left Střední Pravým

rotace v prostoru rotace v rovině translace v rovině Zoom

Klikneme myší na molekulu: Levým Ctrl-left Střední Pravým

rotace v prostoru rotace v rovině translace v rovině translace mimo rovinu

BAND_navod.doc


d) Sada dalších nabídek:

Kliknutím levým tlačítkem myši na Main options se rozbalí lišta s nabídkou funkcí:

Nakreslení nové molekuly a spuštění výpočtu -

Barevné čáry, které jsou aktuálně na kreslící ploše jsou vektory mřížky. První vektor je červený, druhý vektor mřížky je zelený a třetí má modrou barvu (vektory x, y, z). Tuto mřížku, která by mohla při tvorbě struktury překážet, lze zrušit:

View – periodic – odkliknutím show periodic (před výpočtem nutno vrátit)

BAND_navod.doc -


Nyní záleží jakou molekulu chceme nakreslit, polymer (chain), krystal (bulk) nebo povrch (slab):

Main Options → Coordinates → do okna Periodicity vybereme z nabídky -

Namodelujeme danou molekulu použitím molekulového editoru s prvky:

1) kliknutím na odpovídající tlačítko zvolte prvek, jestliže se nenachází na lište, pak klikneme na pole se symbolem “>“ a vybereme prvek z periodického systému, 2. kliknutím do pracovní plochy se objeví první atom, 3. další atomy můžeme připojit opětovným kliknutím na kreslící plochu (po předcházející volbě daného typu elementu), 4. typ vazby: vazbu označíme a pravým tlačítkem myši na ni klikneme, z nabídky vybereme type-a vazbu kterou potřebujeme (single, aromatic, double, triple), 5. dále postupujeme dle typů namodelovaných molekul, tzn. měníme vlastnosti namodelovaného objektu pomocí nabídky Coordinates (volíme jaký atom chceme dát do počátku mřížky, vzdálenost mezi atomy, atd.) -

kritéria početní metody a vlastnosti, volíme přes (závisí na zadání početní úlohy):

Relativistic, XC Funtional, Response, SCF, Basis, Preset, Basis Set, Core Type -

před spuštěním samotného výpočtu, se ujistíme, že jsme doplnili periodicitu :

View – periodic – zakliknutím show periodic -

nyní spustíme výpočet : File – Run před zahájením výpočtu se objeví okno pro uložení daného souboru (soubor uložíme na plochu) konec výpočtu signalizuje nápis: názevsouboru.run has finished na ploše se vytvoří několik dokumentů, nejdůležitějším, v našem případě dokument obsahující vypočtené data, je soubor označen: názevsouboru.out poté je možné zahájit přehled a analýzu výsledků v textové podobě (soubory logfile a out, které lze prohlížet i běžným ASCII editorem), grafické

BAND_navod.doc


výsledky získané pomocí modulu SCM – View se ukládají ve zvoleném grafickém formátu , typicky jménosouboru.jpg ve zvoleném rozlišení, např. 300 dpi. Všechny výsledky si uživatel vhodnou metodou (ftp, ssh, sdílený disk, mail, úschovna v ISu) převede a zaarchivuje ke zpracování. Data se na serveru NEARCHIVUJÍ!!! Po skončení práce s programovým svazkem BAND, program a všechny další případně otevřené aplikace standardně uzavřeme. Probíhal-li výpočet na serveru Samuel, pak se od serveru odlogujeme přes nabídku Start, resp. k odlogování dojde při uzavření okna aplikace „Vzdálená plocha“.

Úvod. Andrea Marcinková

Recommend Documents