ReaxFF新功能:模拟、分析表面反应

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AMS 2018中,ReaxFF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,模拟完毕后,在Movie > Properties > Molecule Fractions,勾选对应的吸附结构,即可以显示如下: 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: 该功能的使用: 只需在常规分子动力学模拟参数的基础上增加如下设置: 1,将surface的所有原子,设置为一个region,创建region的操作,参考:如何创建分区 2,ADFinput > Properties > Adsorption analysis > Support 选择该Region

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

Amsterdam Modeling Suite平台概况

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AMS 2019新功能(点击此处!) ADF 2018 新版发布更名为Amsterdam Modeling Suite(简称AMS) 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!) AMS中文教程  >>> AMS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,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的优势。最先进的相对论方法,精确计算锕系、镧系等重金属体系。 特色功能:片段分析、能量分解EDA、ETS-NOCV分析成键来源与电子在碎片轨道间的定量转移、转移积分功能研究分子间载流子迁移性、荧光磷光寿命与辐射跃迁速率、系间窜跃速率、表面增强拉曼光谱、开壳层体系NMR、非线性光学、高度并行化快速计算大分子体系。(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。 擅长:表面化学、二维材料、一维材料的高精度高效率计算,以及共价成键分析pEDA-NOCV;重元素磁性研究;化学键对晶体能带构造的分析(Crystal Orbital Overlap Population);晶体中原子电荷分析(mulliken、Hirshfeld、Voronoi电荷)、AIM、ELF;谱学性质:EELS、NMR、EFG、Q-tensor、 ESR、g-tensor、A-tensor(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,AMS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。 新的特色功能:通过ReaxFF力场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。分子枪功能使用巨正则系综模拟表面沉积、fbMC将蒙特卡洛与分子动力学结合达到宏观时间尺度的效果、基元反应与反应速率常数、分子内与分子间对相关函数、燃烧、爆炸、热解、表面催化模拟。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。(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:AMS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 AMS 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,64位) 多数 Linux 发行版(图形界面和计算后端,64位) Mac OS X 版 Linux系统GPU加速(需要专业显卡)

ReaxFF

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ReaxFF的功能 通过分子动力学或蒙特卡洛,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。能够用于高温热解、燃烧、催化、溶液环境、界面、金属和金属氧化物表面分子反应的模拟。笔记本即可运行一般几千原子的模拟,小规模集群即计算支持上百万原子的模拟。 图形界面完善,初学者也能正确使用。ReaxFF的开发者Adri van Duin在研究过程中,也基本都是用AMS中的ReaxFF,详见Adir van Duin文章。 AMS中的ReaxFF拥有更多模拟模型: 小分子混合物、固体-小分子混合物建模 加速反应的模拟方法:Collective Variable driven HyperDynamics 、bond-boost、分子动力学/fbMC蒙特卡洛混合模拟、巨正则系综蒙特卡洛模拟(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) 模拟撞击、分子枪功能(模拟原子或分子在材料表面的沉积)、外加电场、反应过程中移除特定产物 弹性墙壁(添加外电场时,必须启用该功能) eReaxFF功能(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 力场开发工具: CMA-ESfa方法、MCFF方法 ADFtrain: 力场优化训练集生成的辅助工具 更多分析工具 任务管理、分析图形化操作:监控反应物、产物组分变化,检测基元反应与速率常数,局域温度分布与原子电荷分布的可视化 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、扩散系数 新的反应分析工具:表面吸附反应分析 新的力学性质分析工具,如例:环氧聚合物的力学性质-杨氏模量、屈服点、泊松比) 局域温度分布、原子电荷分布的可视化 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:纳米纤维素−氧化石墨烯的生物杂化(ACS Nano, 2018) 纳米纤维素和氧化石墨烯自组装成高孔生物杂化材料,促进了多功能膜的设计和合成,以及水污染物治理。在纳米和分子尺度上,自组装、金属离子捕获和生物杂化形成团簇的机理是相当复杂的,它们的阐明需要从实验数据和计算模拟相结合得到证据。 本文通过原子力显微镜(AFM)对(2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基)介导的氧化纤维素纳米纤维(TOCNFs)、氧化石墨烯(GO)及其生物杂化膜的微拷贝研究,获得了强有力、直接的自组装证据;小的GO纳米粒子首先沿着单一的TOCNF纤维附着、积累,长而柔的TOCNF以丝状缠绕在宽而平的GO平面上,从而形成一个无定形的多孔生物杂化网络。 利用先进的显微技术研究了Cu(Ⅱ)吸附前后TOCNFs和GO膜的自组装及其表面性质,并通过Amsterdam Modeling Suite中的ReaxFF模块进行分子动力学(MD)模拟进一步阐明了TOCNFs和GO膜的层状结构。 MD模拟确认了TOCNF和GO膜在溶液中捕获Cu(Ⅱ)离子,以及干燥过程中离子团簇形成的动力学过程。这项多学科研究的结果,使这项研究向前迈进了一步,揭示了生物种属自组装行为的具体方面,并提出了有效的设计策略,为工业应用控制孔径大小和强健材料。 案例2:表面吸附反应模拟 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。使用方法,参考:模拟、分析表面反应 案例2:氢气在钢中的扩撒对钢性能的影响(PCCP,2016) 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3:焦煤的燃烧(Combustion and Flame,2012) 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4:燃料敏化太阳能电池的动力学性质(J. […]

MOPAC

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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

GUI

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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。部分特色功能: 聚合物建模 取代基效应研究(批量建模) 不同谱图的重叠比对 创建固体表面,并均匀加入其它气体、液体分子 创建均匀混合物 创建气-液界面 创建孔洞结构 创建1000原子左右的球形团簇 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

DFTB

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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) GFN1-xTB方法:可以通过ADFView查看分子轨道 改善了SCC收敛性 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

COSMO-RS

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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,提高溶解度等热力学性质的预测精度。 新的离子液体参数 溶剂混合物优化(溶解度、液-液萃取) 聚合物热力学性质 新的蒸汽压预测方法 案例1:低聚甘露糖苷模型化合物中乙酰基穿越糖单元的迁移现象研究(JACS, 2018) 乙酰化低聚糖在自然界中很常见。虽然它们参与了一些生化和生物过程,但乙酰基的作用及其迁移的复杂性并没有引起人们的注意。通过有机合成、核磁共振波谱和量子化学模拟相结合的方法,作者发现乙酰基迁移比以往所知更为复杂。利用合成的寡糖苷模型化合物,首次证明了乙酰基在低聚糖和多糖中的迁移可能并不限于在一个单糖单元内部,还可能涉及到两个不同的糖单元之间的糖苷键上的迁移。观察到的这一现象不仅是非常有趣的化学问题,而且也对酰化碳水化合物在自然界中的潜在生物学作用提出了新的问题。 本文在CCSD(T)/COSMO-RS级别进行了流体热力学计算。实验观察到1a与1b的比率约为60:40,COSMO-RS模拟得到的比率为63:37(ΔG = +1.3 kJ/mol)。其中流体热力学计算由AMS中的COSMO-RS模块完成。 案例2:气体在离子液体中的溶解度预测(Chem. Rev.,2014) 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3:气-液平衡性质预测(Ind. Eng. Chem. Res., 2014) 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4:分配系数预测(Toxicol. Mech. Meth., 2011) 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 […]

BAND

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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 DFT-1/2方法得到更好的带隙 SM12溶剂化方法 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:高精度表面催化计算(Nature Comm.,2019) 近年来,由于天然气产量激增,化学原料需求向较轻的碳氢化合物,特别是甲烷转移。合成气(CO和H2)转化的效率,关键取决于催化剂对甲烷和二氧化碳产生的抑制能力。本文作者设计了一种Co/Mn/Na/S催化剂,该催化剂的水-气转换活性可以忽略不计,烃的产物谱也偏离了Anderson-Schulz-Flory分布。在240 °C和1 bar压强下,C2-C4烯烃选择性为54%。10 bar压强下,低碳烯烃和燃料的选择性分别为30%和59%。该催化剂由直径约10 nm的处于hcp金属相Co纳米颗粒组成。作者认为Na与S在Co表面作为电子促进剂,产生协同效应,从而提高了对低碳烯烃与燃料的选择性,同时也大大减少了甲烷和二氧化碳的生成。 文中使用AMS软件中的BAND模块计算了Na2S和Na2O在Co(0001)表面的成键结构。Na2O(图a)与Na2S(图b)在Co表面的结合方式非常相似。只不过O原子在一个亚表面钴原子上方,而S原子在一个空位上方。原包外的原子由较小的球表示,蓝色表示Co,橙色表示Na,黄色表示S,红色表示O。 案例2:表面成键分析(WIREs Comput. Mol. Sci., 2018) 化学键的概念,如共价键、离子性、泡利排斥、共享电子,或施主-受体键,是对我们丰富的化学知识进行归纳,以及预测新反应活性的重要工具。电子结构分析为理解这些概念的根源提供了基础。能量分解分析(EDA)是一种成熟的分子分析方法,最近在表面和固体中得到了应用,被称为周期性EDA(pEDA)。本文概述了该方法的基础和应用,该方法可用于推导成键的概念。在分子和固体化学中,用于研究分子与表面的吸附和反应(例如有机分子与半导体表面的相互作用)。基于电子结构分析和定量方法的支持,我们证明了类似键的概念可以应用在不同的化学环境中。 原文阅读:https://doi.org/10.1002/wcms.1401 案例3:化学键的视角分析能带成分(JACS,2018) 诺贝尔奖得主Roald Hoffmann是Amsterdam Modeling […]