ReaxFF新功能:分析表面反应

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在ADF2017的开发版(尚未发布正式版,但用户可以下载使用,在ADF2018中将正式发布)中,有了一个重要的新功能:检测表面吸附的化学反应,甚至可以区分不同的吸附类型。 例如水分子吸附在铝表面的模拟,在Movie中可以显示如下: 可以看到三个物种的数量变化:Al、H2O分子、吸附状态的水分子H2O(ads)。 吸附状态的分子,通过(ads)缀加的位置,可以得知是哪个原子与表面形成吸附键。例如H2O(ads)表示水分子的O原子与表面形成吸附键。 下图是另外两个例子: 该功能的启用,仅需在*.run文件中,geo字段内部,增加一行: SUPPORT N1  N2 来指定“表面、体相材料”,即从第N1到N2这些原子是属于固体表面。其他原子、分子与该表面发生吸附反应。 用户也可以使用多行,来指定。例如: …… cat > geo <<eor BIOGRF 200 SUPPORT 33 100 SUPPORT 202 443 DESCRP Bruring REMARK Created by ReaxFFinput CRYSTX 20.00000 20.00000 20.00000 90.00000 90.00000 90.00000 HETATM 1 C 14.50839 5.17281 3.78884 C 1 1 0.0 …… 在out文件中会出现类似如下的内容(本例中Al为基底,水为吸附分子): Iteration Freq. Molecular formula Molecular mass […]

ADF中ReaxFF的新功能:局域温度分布、原子电荷分布的可视化

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ADF最新开发版r63428(最新开发版下载地址:https://www.scm.com/support/downloads/development-snapshots/),能够计算原子的温度以及在空间上的均值,并自动保存在轨迹文件中。该功能通过在*.run文件中control区域添加如下两行内容开启: 1 localt Request local temperature averaging between atoms 3.0 localr Set the awarness radius to 3.0 Å (Default 5.0) 其中1 localt表示开启该功能;3.0 localr表示设置局域范围半径设置为3.0埃,默认值为5.0埃。 通过ADFMovie窗口中,为每个原子着色,来表征原子的温度分布,不同颜色表示不同温度: 除了原子温度以外,如上图所示,还增加了加速度、压力、速度、原子电荷分布等数据的图形化显示。 例如下面的视频演示了温度梯度、热的波动情况: 该模型是用ReaxFF的分子枪功能,入射一个石墨烯球形分子到石墨烯片层上,导致的温度传递。分子枪功能参考:水分子在石墨烯表面形成水簇的模拟(分子入射、沉积)或者:https://www.scm.com/doc/Tutorials/ReaxFF/Bouncing_a_buckyball.html

ADF平台概况

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2017版新增功能(点击此处!) 2016版新增功能(点击此处!) 2014版新增功能(点击此处!) 功能与应用领域(点击此处!) ADF中文教程  >>> ADF知识库 ADF:非周期体系的密度泛函计算 ADF是历史最悠久的模块,擅长重元素体系、有机体系的第一原理计算,包括电荷转移、荧光、磷光、化学键分解、片段分析、轨道组分分析等功能。高度并行化(上千核并行),多种解决收敛问题的机制,丰富的性质计算与图形显示功能是ADF的独特优势。让电子结构计算、催化与化学性质的理解变得简单直观。另外,ADF的泛函库非常庞大,最新发表的重要泛函会很快地被纳入ADF的泛函库。(详细介绍) BAND:周期性体系的密度泛函计算 与VASP等采用平面波基组的程序有所不同,BAND采用数值基组与Slater基组结合,能够处理真正意义上的二维和一维体系,因此而对表面进行溶剂化效应的模拟。同时不必担心赝势的精确度对不同体系的可靠性问题。BAND能够对元素周期表中所有元素进行精确第一性原理计算。在表面催化方面,精确度和易用性非常高。(详细介绍) DFTB:近似密度泛函计算 DFTB是在DFT计算的库仑积分过程中进行了参数化,因此大大地提高了密度泛函的计算效率。在DFTB官方发布的参数之外,ADF基于QUASINANO项目开发了更多参数。考虑长程相互作用的色散校正与新DFTB3方法可以精确地处理带电体系。使用普通台式机或笔记本就可以实现大体系、大时间尺度的单点计算、结构优化、过渡态计算、频率计算,以及分子动力学模拟。(详细介绍) ReaxFF:反应力场分子动力学模拟 ReaxFF通过力场的方式,模拟介观尺度下的化学反应,以及有关的热力学、动力学性质。在过去几十年里用于各种不同反应体系模拟,包括:溶液环境、界面、金属及金属氧化物表面分子反应,并支持Berendsen温度velocity Verlet的NVT、NPT和NVE系综的动力学计算功能。在有机体系(如有机分子的燃烧、高温热解等)、金属催化、合金材料氧化、炸药爆炸等各种工程问题的模拟方面取得了很大的成功。(详细介绍) MOPAC2012:半经验电子结构计算 经验参数化的量子化学方法。包括最新的PM7, PM7-TS,以及早期的AM1, MNDO, PM6等方法。对电子结构、分子结构进行快速而可靠的预测。对大分子结构的精确预测非常有效,可以将结果直接用于后续的DFT电子结构计算。(详细介绍) COSMO-RS模块:流体热力学计算 分子库包括自带和自建两种。对液体、气体、气液相平衡、液液相平衡等问题进行预测。在离子液体中的应用非常广泛。(详细介绍) GUI:智能化的图形用户界面 GUI中包含了常用的所有计算参数的设置。用户只需要通过鼠标操作即可完成建模、任务创建与提交、结果查看与分析。另外智能化的参数选择,让初学者也不必担心参数设置的问题:ADF能够根据计算任务的类型,对大部分重要参数,都能够自动调整出最适当的选择。当用户选择的参数过于不合理时,GUI会发出通知,提醒用户如何修改参数。(详细介绍) 平台支持 ADF 提供各种平台下地二进制安装包。不需要任何编译,下载后即可安装在以下系统上: Windows 7/8/10 (图形界面和计算后端,32位和64位) 多数 Linux 发行版(图形界面和计算后端,32位和64位) Mac OS X 版 Linux系统GPU加速

ADF-ReaxFF模块

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ReaxFF的功能 通过力场的方式,模拟介观尺度下,可能发生的化学反应,以及有关的热力学与动力学性质。使用台式机能够模拟数十万原子的化学反应过程。目前能够用于溶液环境、界面、金属和金属氧化物表面分子反应的模拟。 小分子混合物、固体-小分子混合物建模 任务管理、分析图形化操作:监控反应物、产物组分变化,检测基元反应(中文手册请点击) 模拟撞击 分子动力学/蒙特卡洛混合模拟(MD/MC),达到宏观时间尺度效果 分子枪功能,可用于模拟原子或分子在材料表面的沉积 eReaxFF功能,将电子作为粒子参与反应:用于电池、太阳能电池等大尺度分子动力学过程的研究 新的加速反应的方法:Collective Variable driven HyperDynamics 与 bond-boost 新的力场参数化工具CMA-ES 新的性质分析工具:热导率(NEMD)、沿盒子的某条轴向的温度分布、局部原子平均温度、单原子的弹力张量 新的反应分析工具:表面吸附反应分析、反应快速分析 弹性墙壁(添加外电场时,必须启用该功能) 应力应变,例如:环氧聚合物的力学性质-杨氏模量、屈服点、泊松比 GCMC图形化操作,例如:使用ReaxFF中巨正则蒙特卡洛(GCMC)方法模拟锂化放电过程的电压特性 力场列表 观察反应物、产物的数量变化 观察温度、能量的变化 分析基元反应 得到反应网络信息 案例1: 氢脆化会显著地减弱金属系统的机械强度,例如在碳钢等材料的氢脆化经常会导致灾难性的结果。对于需要暴露在氢气中的材料,特别是用于精炼厂、输油管和燃气管线中的铁来说,这是一个特别严重的问题。 作者使用ReaxFF模块的巨正则蒙特卡罗方法研究铁相中纳米孔洞的生长。在铁-碳化铁界面,氢的浓度增大,导致铁-碳化铁界面强度降低,从而产生“氢致分离”的现象。ReaxFF模拟重现了氢原子在表面和微空隙间积累的实验现象。这些结果表明,分子反应力场方法对于体心立方铁的氢脆化以及在更复杂的金属/金属碳化物表面的氢反应的模拟是非常可靠的。 案例2: 使用ReaxFF模拟液化焦煤在氧气氛围中的燃烧(C5743H1511O131N61S12 + 14,000 O2)过程,获得高温下结构演化以及化学反应的详细信息。250 ps的模拟过程,耗用了36核6星期时间。 在模拟的反应过程中,我们看到焦煤的氧化过程是以焦煤的热解或脱氢开始的,其中热解在高温下更重要一些。 案例3: 使用ReaxFF结合TDDFT方法,研究TiO2表面染料分子的结构特征、聚集特征、光学与动力学性质。阐明了染料敏化太阳能电池DSSC的主要成分,通过多层次的理论方法,与实验结果一致地,理想地描述了染料分子区域的有序性、染料分子在基底表面的堆叠以及强锚定机制。并阐释了染料分子富集导致了吸收光谱的红移。 案例4: ADF软件中的ReaxFF模块包含Molecular gun功能,可以用于模拟材料表面的沉积。例如本例中,在石墨烯表面入射水分子,水分子逐渐在石墨烯表面沉积并聚集为水滴(点击)。 更多信息 要了解更多ADF软件的功能、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WIKI >> ADF知识库 近期研究亮点 英文手册 英文教程 甲烷的燃烧

ADF-MOPAC模块

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ADF为MOPAC2012提供可视化界面,支持Windows、Mac OS X以及Linux。MOPAC2012旨在快速而可靠的半经验量子化学模拟。目前MOPAC模块对学术用户免费。 亮点:对镧系化合物的模拟 结构优化 频率 模型:分子、聚合物、表面、固体 过渡态 溶剂化(COSMO) 最新参数:PM7, PM7-TS 旧参数:(AM1, MNDO, PM6, …) 固体数据库 MOZYME:大体系实现线性标度的自洽迭代 并行化 MOPAC与ADF中其他模块无缝对接 为ADF和BAND进行预优化 更多信息参考: ADF软件的功能、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WIKI >> ADF知识库 教程 MOPAC官网 其他教学视频

ADF-GUI模块

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GUI:方便智能 GUI用于建模、任务设置、提交、监视、结果分析,并能够在各个模块之间切换。通过点击鼠标即可完成结果的可视化分析。在大多数机器(Windows, Mac or Linux)上GUI都能运行。软件本身能够轻松地实现跨平台的运行。 建模 GUI能够轻松地创建复杂分子、晶体结构模型,能够方便地创建超胞、薄膜、复杂溶剂、混合气体等。 可视化 作业能够从本地Windows  PC机,提交到远程Linux服务器或集群。输出结果能够跨平台识别:能级图、Kohn-Sham轨道、密度、等高线、态密度、能带结构以及各种大量图谱。实用性非常强,例如对于振动谱,点击IR峰,即可动画显示该峰对应的振动模式。 振动、结构优化、IRC以及分子动力学的模拟结果,可以通过GUI进行动画显示。还包括各种流体热力学性质图谱: 更多信息参考 费米科技WIKI知识库 教程 手册 其他教学视频

ADF-DFTB模块

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通过参数化实现快速近似DFT计算,得到与DFT相似的精确度。通过最新的色散修正描述长程相互作用。其中DFTB3能够精确地处理带电体系。 使用DFTB,在台式机也能完成大体系长时间尺度的模拟。能够计算分子和周期性体系。可以在DFT计算之前,对分子、周期体系几何结构进行预优化。能得到与DFT几乎完全相同的结构(通常误差能够小于0.03埃) 快速、可视化 通过GUI与ADF、BAND模块无缝对接,用于结构的预优化 二阶(SCC-DFTB )、三阶(DFTB3)自洽电荷 色散修正D3-BJ、D2、UFF、ULG 振动频率、声子谱、pDOS、能带与态密度、Franck-Condon谱、 Bader分析 TDDFTB,用于大体系的紫外可见吸收光谱:1)支持singlet-singlet与singlet-triplet激发;2)通过设置最小振子强度,选择需要计算的激发态 分子动力学 DFTB.org参数之外,增加QUASINANO参数(87种元素) 近期发表文章: DFTB Parameters for the Periodic Table: Part 1, Electronic Structure, J. Chem. Theor. Comput. 9, 4006-4017 (2013) NEGF: Electromechanics in MoS2 and WS2: nanotubes vs. monolayers, Scientific Reports 3, 2961 (2013) 更多信息参考: 要了解更多ADF软件的功能、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WIKI >> ADF知识库 近期研究亮点 英文手册 英文教程 Prof. Thomas Hein研究组

ADF-COSMO-RS模块

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COnductor-like Screening MOdel for Realistic Solvents,预测气体纯液体、液体混合物、溶液、离子液体性质。也有人将此方法用于共晶(即使用固溶的物理图像)。数据库中包括1892种化合物(溶剂、小分子)以及离子液体离子库,用户通过ADF计算能够轻松扩充分子、离子库。 溶解度、分配系数 (log P, log Kow) pKa、pKb、Sigma Profile 活度系数、溶剂化自由能、亨利常数 蒸汽压、沸点、(二元/三元)气液平衡相图 (VLE/LLE) 过剩能, 共沸、溶混性gap 成分线、闪点 通过 SMILES关键字或xyz坐标文件批量预测流体热力学性质 虽然由ADF生成的coskf文件精度更高,但也可由MOPAC快速生成库文件大量预测性质 QSPR方法预测COSMO sigma-profiles UNIFAC 快速QSPR预测多种性质:熔化热、密度、黏度等 新的离子液体参数 溶剂混合物优化(溶解度、液-液萃取) 案例1: COSMO-RS用于气体在离子液体中的溶解度预测:基于基团的UNIFAC方法与基于量子化学的COSMO-RS相比,更接近实验结果,迁移性较差;COSMO-RS适用于各种气体,例如对SO2。 案例2: COSMO-SAC-2013就得到了比COSMO-SAC更高的对混合物热力学性质更精确的预测,对单组份液体的热力学性质保持COSMO-SAC相同的精度。 针对logP数据拟合出来的新参数,显著提高了汽-液平衡性质,例如混合物蒸气压的预测精度。 案例3: 研究者们计算log Kow作为第一个筛选参数来估计生物体内的积累率。能持续挥发的“辛醇:水”体系,分配系数logKow在4.5~10之间,这会导致很强的生物体内的积累率。 COSMO-RS作为一种基于量子力学的方法,在热力学性质预测方面包含了分子结构的三维信息,而QSAR模型则没有。COSMO-RS模型预测的结果,在7个单体以上,logKow会比较温和的增大,如果考虑聚合物球形卷曲的话,会更合理。 更多信息参考 要了解更多ADF软件的功能、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WIKI >> ADF知识库: 手册 指南 分子库 演示录像: 1,为流体热力学计算创建个性化COSMO结果文件 2,计算sigma性质 3,计算溶解度、logP、VLE等流体热力学性质

ADF-BAND模块

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BAND并行效率非常高。对单胞约700原子(含42个Cu原子、24I原子、288个C原子、60个N原子)的MOF材料,K点取3*3*1,进行高精度能带计算,在16核服务器上耗时约44小时,128核耗时约6小时。 对于1000原子的1维体系,使用PBE泛函、7000个基函数、1个k点(由于体系很大,设置为1个k点是合适的),进行几何优化(CPU:4节点*16核),优化十步后几何结构收敛,耗时10小时。 主要功能: 三维(体材料)、二维(材料表面)、一维(聚合物、纳米管线等)、0维(分子)周期性体系的结构优化 相对论(自旋轨道耦合SOC)、全电子基组、冻心基组 泛函:meta-GGA、色散修正泛函,如:GGA-D3-BJ, GGA+U, HTBS, TB-mBJ, GLLB-sc (带隙计算更精确) 对二维表面的边界条件,正确处理垂直于表面的极化效应。表面的极化对催化效果有很大的影响,因为电荷的分布能够左右反应路径 一维、二维体系计算速度优于流行的平面波程序(因为不需要处理真空层带来的计算量) 一维、二维体系的表面溶剂化更合理 与平面波程序相比,更适合描述局域成键行为 含时流密度泛函(TDCDFT):计算薄膜半导体的介电常数 外加磁场、均匀静电场 物理性质:能带结构与态密度(pDOS、LDOS)、有效质量、费米能级、费米面、形成因子、动态极化率、介电函数、精确原子核电子密度、弹性张量及其相关性质(例如体积模量)、外加压力下的结构优化 光谱性质:吸收与折射光谱、EELS、NMR、EFG、Q-tensor、 ESR、g-tensor、A-tensor 化学分析:AIM、ELF、Mulliken、NMR、核电子密度、单电子激发、电子自旋共振、通过Laplacian电子密度与键关键点区分化学键类型、Crystal Orbital Overlap Populations (COOP)、Linear transit与势能面扫描(PES)、过渡态搜索 PEDA-NOCV成键分解: 表面吸附结构的成键分析(化学价自然轨道NOCV、能量分解EDA。下同) 聚合物的的成键分析 孔材料内部吸附小分子的的成键分析 分子的Unrestricted碎片成键分析: Unrestricted二重态片段 Unrestricted高自旋态片段 DFT分子动力学 声子谱与热力学性质计算 高效并行化 图形界面易用性强:初学者也可以很快正确使用; 支持晶体结构数据库中cif文件导入 案例1: 使用BAND进行高质量计算理论计算,合理解释了纳与硫这种特别的助催化剂组合:催化剂的活性相是铁的碳化物,其中碳参与了反应机理;硫原子与铁原子的结合很特别,不会阻挡碳原子,产生了次紧邻相互作用,从而将助催化剂的作用最大化。 BAND能够正确地处理表面的边界条件,因此能够体现助催化剂和/或衬底在垂直于表面的极化效应。表面的计划对催化效果有很大的影响,因为电荷的分布能够左右反应路径。 案例2: 使用PEDA-NOCV研究表面吸附的情况中,分子与表面的成键、键能分解:哪个占据轨道和哪个空轨道成键?成键后轨道的形状如何?键能中Pauli排斥、静电吸引、轨道相互作用能分别为多大?BAND也支持一维、三维周期性体系的PEDA-NOCV。 案例3: BAND不仅可以用于周期性体系的键能分解EDA和NOCV分析,还可以用于非周期性体系(Periodicity:设置为None)。而且比ADF模块更好的是,它允许使用Unrestricted方法计算分子碎片,对高自旋多重度的碎片也能得到正确结果(对于高自旋多重度,例如三重态,ADF模块只能使用Restricted方法计算碎片,而这往往很难收敛到正确的电子态占据方式(例如O2分子基态为三重态,那么O2分子作为碎片的能量分解和NOCV分析,ADF模块就没有办法精确地进行了),对于自旋多重度更高的碎片就更困难了。但如果使用Unrestricted计算高自旋多重度碎片,就很容易了。   案例5: 使用BAND的色散修正泛函DFT (revPBE-D3)研究了真空中以及在二氧化硅沉底上的单层石墨烯上,水分子的吸附状态。虽然二氧化硅衬底没有影响石墨烯的电子结构,但将真空石墨烯上,水分子的结合能从207meV增大到257meV。二者吸附结构也不同。   案例6: 传统的铅-氧化铅电池已经有一个世纪的历史了,能够有实际用途,是由于每个伏打电池单元能够产生2V以上的电压,多个电池串联能够达到驱动电动机,锡化学性质与铅非常相近,但与铅相比,相对论效应小很多,导致锡电池产生的电压也远小于铅。 本文从理论上阐明了铅、锡以及不存在相对论效应的“假想铅”的巨大差别。 更多信息参考 要了解更多ADF软件的功能、中文实例教程、文献重现、学习量子化学基础知识,请访问 […]