AMS2019.301新功能

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第一性原理 1,MP2、SOS-MP2 优点: 对氢键的计算,结合能略高于实验值,而一般DFT则总是倾向于低估,总体而言MP2在这方面优于一般DFT; 计算饱和有机物二聚体尤其精确。计算时,要求TZ2P及其以上的基组。 效率:随着体系的增大,比GGA计算量增大的速度更快,但对一百原子左右的体系,一般的单节点计算耗时也并不太高 支持:EDA、NOCV分析,只支持单点计算 不支持:激发态、极化率、IR、NMR等相关计算。 2,高精度Double Hybrid泛函 优点: 从文献以及厂商测试结果来看,在异构体能量差、能垒、过渡态能量方面有非常显著的改进 在分子间色散作用、非共价作用方面,比色散修正杂化泛函仅有细微改进。 对过渡金属体系,结合ZORA方法,结果相当精确。 效率:对于三四十个原子的体系,计算量比杂化泛函的二倍略小。 用法:大体系的计算,双杂化泛函中,推荐DOD类泛函。一般的计算,根据我们的测试,B2piPLYP、B2KPLYP及其-D3(BJ)色散修正,以及revDSD-BLYP、revDSD-PBEP86,都非常优秀。后两个泛函的DOD变体比DSD变体更精确,更适合大体系计算。总的来说,双杂化泛函对很多体系都能够提供相当高精度的计算,对很多体系,这些不同的双杂化泛函结果差异实际上并不大。 支持:EDA、NOCV分析,只支持单点计算 不支持:激发态、极化率、IR、NMR等相关计算。不要用于HOMO-LUMO gap很小的体系,或者具有多参考态特征的体系。 3,最新色散修正泛函-D4(EEQ) 与D3色散修正相比,D4(EEQ)改善了热化学性质,特别是对含有金属的体系。推荐全面替代D3。 4,AH-FC、VG-FC Adiabatic Hessian Franck-Condon、Vertical Gradient Franck-Condon 5,MESA 新的高效的改进SCF收敛的算法: 6,CI-NEB:应用于各模块 7,添加外部应力 用法参考:BAND、MOPAC、DFTB、ReaxAMS添加外部应力 分子动力学 1,微观反应动力学 Microkinetics 例子:https://www.scm.com/doc/Tutorials/Microkinetics/MKMCXX_CO_Oxidation.html 2,新的分子动力学反应加速算法REMD 用法参考:新的分子动力学反应加速算法REMD。适用于BAND-MD、DFTB-MD、MOPAC-MD、ReaxAMS-MD。 3,ReaxFF中计算热导率的NEMD方法 参考:https://www.scm.com/doc/ReaxFF/Properties.html#nemd-methods-for-thermal-conductivity VASP GUI

ReaxFF新功能:模拟、分析表面反应

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从AMS 2018起,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新版功能 AMS中文教程 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:锂离子电池中溶剂与添加剂还原分解形成固态电解质界面(J. Phys. Chem. C 2020) 锂离子电池(LIBs)循环稳定性和耐久性的关键是电极表面形成固体电解质界面(SEI)。然而由于相关实验的困难,SEI生长的微观机制尚不清楚。浙江大学王琦课题组通过反应力场分子动力学(ReaxFF-MD)模拟和密度泛函理论(DFT)计算来研究SEI形成的初始过程。 使用AMS-ReaxFF对SEI器件的演化过程进行了模拟,很好地再现了实验上,捕获的气体分子与无机盐和、机盐形成SEI的过程。碳酸氟乙烯酯(FEC)在ReaxFF模拟时间内的分解消耗,远高于碳酸乙烯酯溶剂(EC),这与分子轨道理论定性一致,即LUMO能级较低的分子应是较好的电子受体,并有可能被还原。 对于反应中心,使用DFT进行了计算,发现单电子还原导致的C-O键的断裂,在EC和添加剂FEC中非常相似。当加入另一个电子时,EC分解产生气体CO与烷基碳酸盐,或乙烯与碳酸盐,而FEC分解产生氟化锂(LiF)和碳酸乙烯酯(VC)以及CO、烷基碳酸盐,LiF和VC也可作为改善电池性能的重要电解质添加剂。FEC组分/分子上的还原比EC组分/分子上的还原在能量上更有利。 在原子尺度上对分解产物的模拟结果,与现有实验有很好的相关性,而理论计算为解释未来SEI相关实验提供了有用的指导和结构模式。这种计算策略对锂离子电池的进一步开发和SEI设计具有一定的应用前景。 案例2:基于加速反应分子动力学的柠檬酸盐聚合物生物降解模拟(J. Phys. Chem. B 2020) 具有弹性的生物可降解聚合物在组织工程领域得到了广泛的关注,而聚酯是用于制造骨组织支架的常用生物材料。最近Adri van Duin等人利用加速反应分子动力学模拟,研究了柠檬酸盐聚合物的反应性。 由于酯和乙醚水解反应的活化能垒较高,反应所需时间相对于计算机模拟时间尺度(一般在ns级别的微观时间尺度)而言非常长,因此往往需要通过特殊的方法,加速分子动力学模拟中化学反应的发生。作者在ReaxFF框架内使用了bond boost加速反应方法(参阅教程),Bond boost参数的选择是通过人为调整得到。乙醚水解比酯水解能垒高,当bond boost参数降低时,乙醚水解几乎停止。另外对聚合物进行了机械拉伸模拟,以确定其拉伸模量,显示出应变相关的行为(另见应力应变教程),发现聚酯比聚醚具有更高的韧性。 案例3:使用巨正则系综反应力场模拟铂电催化剂的氧化与失活(Small 2019, Angew. 2017) […]

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 […]