ADF

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ADF并行效率测试

ADF是历史最悠久的模块,是世界上第一个DFT程序。ADF并行效率非常高,大体系如果用16核完成计算需要1天,那么使用512核则只需要不到1小时。对于100原子左右的体系基态计算,使用256核并行,一般的基态计算可以在几分钟完成。

ADF能够胜任大分子、金属纳米团簇的第一性原理计算。2008年JacobVisscher等对一个包含1231个原子的蛋白质分子使用DZP基组进行了计算,近年国内将原子个数记录扩展到2000个原子以上。

主要功能:

  1. 大分子DFT计算:目前已经报道大量使用ADF对几千原子的大分子进行DFT计算;
  2. 过渡金属、重元素体系的计算;
  3. 相对论效应、自旋-轨道耦合(SOC):目前最先进、最精确的X2C方法
  4. 并行效率非常高:体系越大,加速比越高;
  5. 支持GPU加速;
  6. 高精度基组;
  7. 图形界面易用性强:初学者也可以很快正确使用;
  8. 中、英文手册完善;
  9. 特色功能:

案例1:能量简并驱动锕系共价成键(JACS, 2018)

锕系元素化学键的性质,是当今锕系科学上最重要、最长期的问题之一。作者直面这一挑战性问题,并进行了Cl K-边X射线吸收光谱和相对论密度泛函理论的研究,定量地评判了AnCl62-(AnIV=Th,U,NP,Pu)中的An-Cl共价性。结果表明,Cl 3p-与AnIV 5f-和6d-轨道(t1u*/t2u*和t2g*eg*)之间存在显著混合,6d轨道的共价性成键比5f轨道更明显。从Th到U,Np和Pu,M-Cl轨道混合量显著变化:AnIV 6d-和Cl 3p-混合减少,金属5f-和Cl 3p轨道混合增加。

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140 (51), pp 17977–17984


案例2:钙锶钡配合物也遵守18电子规则(Science, 2018)

碱土金属钙(Ca)、锶(Sr)和钡(Ba)主要通过nS和nP价轨道进行化学键合(其中n为主量子数)。复旦大学周鸣飞老师课题组和南京工业大学Gernot Frenking与赵莉莉老师课题组报道了八配位羰基配合物M(CO)8(其中M=Ca,Sr或Ba)在低温氖基质中的分离和光谱表征。对这些立方Oh对称配合物的电子结构分析表明,M-CO键主要来自[M(dπ)]→(CO)8 π的反馈作用,从而解释了C-O伸缩频率的强烈红移。还制备了相应的自由基阳离子气相配合物,并通过质量选择红外光解光谱对配合物进行了表征,证实其遵守过渡金属化学有关的18电子规则。

金属与CO相互作用的轨道分析,左边是金属的轨道,右边为配体CO的轨道,中间为整个配合物分子的轨道

EDA功能将金属与配体之间的相互作用能,分解为泡利排斥、静电作用、轨道作用,并得到分子轨道与碎片轨道之间的关系,而NOCV功能将轨道作用更详细地分解到具体的一对对相互作用的轨道中。NOCV分析表明,M-CO键主要来自[M(dπ)]→(CO)8 π的反馈作用:

本文使用了一种非常强大的研究化学成键细节的工具:ADF中的EDA-NOCV功能(在BAND模块中,该功能对周期性体系同样适用)。


案例3:大体系紫外可见光的计算(J. Phys. Chem. C,2014)

意大利的里雅斯特和比萨的学者研究了银和金纳米颗粒的光学性质。对于银纳米壳层的基础研究表明,在仅有92个原子的壳层出现了等离激元特征。更进一步发现,中空的壳层与实心的纳米颗粒相比发生了系统性的红移。二十面壳在高能部分有强吸收峰。

J. Phys. Chem. C, 118, 12450

J. Phys. Chem. C, 118, 12450(2014)

金刚烷乙醇金团簇由密西西比大学合成和分离,理论计算研究由两个意大利课题组完成。这些大体积配体使得金纳米核具有柔性。对于这些复合物的光谱计算与实验结果吻合的非常好。


案例4:自旋轨道耦合与系间窜跃研究(Phys.Chem.Chem.Phys.,2014)

本文提出基于自旋-轨道耦合矩阵元<Sm|SOC|Tn>、原子序数、配位结构、电子转移等信息,估算过渡金属配合物系间(S→T)窜跃速率的方法,成功应用于Os、Au、Ag、Cu配合物体系。

使用自旋-轨道耦合矩阵元,估算Os、Au、Ag、Cu配合物系间窜跃速率 Phys.Chem.Chem.Phys.,16,26184 (2014)

Phys.Chem.Chem.Phys.,16,26184 (2014)


案例5:分子间载流子迁移机理研究(J. Phys. Chem. B,2009)

载流子的迁移性:分子与分子之间,电子与空穴以跳跃的方式迁移,对有机电子器件如OLED、OFET、OPV非常重要。ADF能够通过计算转移积分得到载流子的迁移性。

J. Phys. Chem. B 113, 8813-8819 (2009)


案例6:表面增强拉曼光谱研究( J. Phys. Chem. A,2014)

DIM/QM模拟表面增强拉曼光学活性:拉曼光学活性已经成为探测有机小分子和生物分子几何结构的有力工具。但是作为一项新技术表面增强拉曼光学活性(SEROA)仍然是实验方面的一个挑战。小分子的SEROA已经能够通过ADF,将速度度规响应张量应用到离散相互作用模型/量子力学(DIM/QM模型)来模拟。在这种模型中,纳米粒子被当做相互作用的原子极化子的集合体来处理。计算结果能够揭示局域电场(local electric field)、电场梯度强度、等离激元宽度,以及分子朝向如何影响SEROA信号。

D.V. Chulhai and L. Jensen, Simulating Surface-Enhanced Raman Optical Activity Using Atomistic Electrodynamics-Quantum Mechanical Models, J. Phys. Chem. A, 118, 9069 (2014)


 案例7:X射线吸收谱(Phys. Chem. Chem. Phys.,2015)

高能分辨荧光探测光谱(HERFD-XAS):羰基铁配合物的研究中,高能分辨荧光探测光谱(HERFD-XAS)技术的测量结果,在ADF软件中的TDDFT方法中得到了合理的解释。

Phys. Chem. Chem. Phys.17, 13937-13948 (2015)


更多信息请参考:

  • 了解更多ADF的功能、中文实例教程、文献重现、学习量子化学基础知识,请访问 费米维基 >> AMS知识库