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atk:用dftb-neb研究氨分子翻转反应势垒

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atk:用dftb-neb研究氨分子翻转反应势垒 [2018/06/25 23:37] – 创建 xie.congweiatk:用dftb-neb研究氨分子翻转反应势垒 [2018/10/20 19:35] (当前版本) – [用 DFTB-NEB 研究氨分子翻转反应势垒] fermi
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-<wrap em>特别强调</wrap>+====== 用 DFTB-NEB 研究氨分子翻转反应势垒 ====== 
 + 
 +在本教程，您将学习利用 NEB 方法计算氨分子翻转反应路径。为加快计算速度，我们将采用基于紧束缚密度泛函（DFTB）方法（[[http://www.dftb.org/home/|dftb.org]]）。 
 +===== 设置 NEB 对象 ===== 
 + 
 +  * 打开 {{:atk:builder.png?direct&25|}} **Builder**，点击 Add {{:atk:arrow.png?direct&5|}} From Database。 
 +  * Database 工具打开后，从菜单中选择 Datebases {{:atk:arrow.png?direct&5|}} Molecules。在搜索栏输入 “Ammonia”，您将看到如下： 
 + 
 +{{ :atk:neb_dftb_database_nh3.png?direct&500 |}} 
 + 
 +双击搜索结果栏的 “Ammonia”（或者点击 {{:atk:add_to.png?direct&20|}} 按钮），氨分子被添加到 **Stash**。 
 + 
 +<WRAP center important 100%> 
 +=== 注意 === 
 +运行 NEB 计算时，限制一些自由度是非常重要的。此处主要考虑到的是在氨反应过程中氮原子穿过氢平面移动。因此，定义初始反应路径时，固定氢原子平面是个非常好的做法。这点可以轻易实现，如下所示。 
 +</WRAP> 
 + 
 +  * 在 **Builder**，激活 **Move Tool** {{:atk:move1.png?direct&25|}}。选中每一个氢原子作为锚原子（标记为红色光环）；这就是您要操作的原子。因为 **Move Tool** 打开时没有一个原子被选中，所有的原子将被同时选中（标记为黄色光环）；这些是会被 **Move Tool** 中的操作影响到的原子。 
 +  * 在 **Move** 程序窗口，原子 z 坐标处输入值 0，按下 **Enter** 键。 
 + 
 +{{ :atk:neb_dftb_movetool.png?direct&600 |}} 
 + 
 +  * 关闭窗口或点击 **Select** 工具以关闭 **Move** 工具。 
 +  * 在 Stash 区域确保左键单击选中氨分子。然后点击 **Copy** 按钮，就在 **Stash** 区添加了另外一个相同的氨分子。 
 +  * 打开右侧工具栏 **Coordinate Tools** 里的 **Mirror** 工具，保证镜像平面的法线平行于 Z 轴且过原点（这点是默认的），按下 **Apply** 翻转分子。 
 + 
 +{{ :atk:neb_dftb_builder_mirror.png?direct&600 |}} 
 + 
 +  * 您现在已经定义了反应路径的初始状态和最终状态。下一步是通过在这些状态之间插入许多图像来设置 NEB 构形。 
 +  * 为了实现这个目的，请从插件面板中打开 **Builders** 下的 **Nudged Elastic Band** 工具，然后将这两个构形拖入 //Initial// 和 //Final// 槽位。 
 +  * 将图像之间的最大距离设置为 0.09 Å 以获得奇数个图像。这点是非常重要的，因为反应路径是对称的。选择 **Linear** 方法并按下 **Create**。现在已经创建了 NEB 对象并添加到 **Stash** 中。 
 +  * 按下 **Play** 按钮查看优化反应路径时作为起始的不同构形。 
 + 
 +{{ :atk:neb_dftb_create_neb.png?direct&600 |}} 
 + 
 + 
 + 
 + 
 + 
 +===== 运行 NEB 模拟 ===== 
 + 
 +设置实际运算，采用 **Send to** 按钮 {{:atk:sendto.png?direct&20|}} 将 NEB 对象发送到 {{:atk:script_generator.png?direct&25|}} **Script Generator**。 
 + 
 +在 **Script Generator**，添加以下模块： 
 + 
 +  * {{:atk:calculator.png?direct&25|}} **New Calculator** 
 +  * {{:atk:optimization.png?direct&25|}} **OptimizeGeometry** 
 + 
 +修改默认输出文件名称为 ''nh3_neb.nc''。 
 + 
 +{{ :atk:neb_dftb_scripter_neb.png?direct&600 |}} 
 + 
 +打开 {{:atk:calculator.png?direct&25|}} **New Calculator**，按照如下编辑： 
 + 
 +  * 选择 **ATK-SE: Slater-Koster** 计算器。 
 +  * 在 **Slater-Koster basis set** 里，确认勾选了 //DFTB [MIO]// 基组。 
 +  * 不勾选 **No SCF iteration** 选项框。 
 + 
 +{{ :atk:neb_dftb_calculator_neb.png?direct&600 |}} 
 + 
 +打开 {{:atk:optimization.png?direct&25|}} **OptimizeGeometry** 模块，做如下设置。 
 + 
 +{{ :atk:neb_dftb_optimize_neb.png?direct&400 |}} 
 + 
 +现在您已经做好了 NEB 优化的准备，发送脚本到 {{:atk:job_manager.png?direct&25|}} **Job Manager** 执行运算。 
 + 
 +本次优化依赖于您的电脑将耗时 20-30 分钟。 
 + 
 +<WRAP center important 100%> 
 +=== 注意 === 
 +尽管 DFTB 模型的大多数其他变形都采用逐点静电对势相互作用模型， ATK-SE 则使用泊松解法计算静电相互作用。对于小型体系，例如本例的氨分子，这种方法明显较慢。但是对于大体系，速度很快，采用 $O(N)$ 代替经典的 $O(N^2)$ 按比例缩放。 
 + 
 +泊松解法的采用可确保 DFTB 模型与 QuantumATK 的其他计算器相当，因此可用于模拟器件构形且允许使用隐形溶剂模型。 
 +</WRAP> 
 + 
 + 
 + 
 + 
 + 
 + 
 + 
 + 
 + 
 + 
 + 
 + 
 + 
 + 
 + 
 + 
 +===== 分析 NEB 模拟 ===== 
 + 
 +  * 返回 **QuantumATK** 的主窗口，选择文件 nh3_neb.nc。 
 +  * 选择文件里的最后一个 NEB 构形（ID 号最大的那个）。 
 +  * 按下 **Show configuration**，您将会看到反应路径上计算得到的能量势垒和相对应的构形。 
 +  * 通过按下 **Play** 按钮，反应路径可以展示为动画。 
 + 
 +{{ :atk:neb_dftb_neb_reactionpath.png?direct&800 |}} 
 + 
 +<WRAP center todo 100%> 
 +=== 关注 === 
 +获得的反应势垒并不完全准确，因为终点没有被优化。从第二张图中有能量点比终点还低就能明显看出来。对于使用 NEB 方法的实际研究，应该始终先优化终点。 
 +</WRAP> 
 + 
 +<WRAP center tip 100%> 
 +=== 提示 === 
 +您可以通过单击反应路径图中的点（并停止动画），仔细检查反应路径中的单个优化构形。 
 +</WRAP> 
 + 
 +===== 一种快速计算的方法 ===== 
 + 
 +在上面的计算中，您采用在端点之间线性插值来设置 NEB 路径的初始猜测。然而，在很多情况下，线性路径与优化路径相差甚远。将上述收敛结果的动画与您设置的初始 NEB 路径进行比较，可以看出，当氮原子通过分子中心时，氢原子需要向外移动为氮原子让出空间，然后再移动回来。 
 + 
 +如果这种行为能以某种方式成为初始路径的一部分，则可以节省离子动力学中的一些步骤，从而节省计算时间。然而，由于氢原子的初始位置和最终位置是相同的，所以不能通过线性插值捕获。 
 + 
 +但是，还有其他方法可以生成初始路径，有些可以在 **ATK** 中实现。 
 + 
 +  * 返回到 {{:atk:builder.png?direct&25|}} **Builder**，选择 **Nudged Elastic Band** 插件。 
 +  * 保持图像距离，但是更改 **Method** 为 **Image Dependent Pair Potential**，创建 NEB。 
 +  * 如果您现在检查初始路径会发现，它已经包含了氢原子的行为。这是采用 IDPP 方法做 NEB 运算的其中一个优势。 
 +  * 按照如上的相同步骤通过 {{:atk:script_generator.png?direct&25|}} **Scripter** 运行 NEB 计算，您会发现这次时间快了 30%，但结果是相同的。 
 + 
 +<WRAP center important 100%> 
 +=== 注意 === 
 +IDPP 方法与 Halgren-Lipscomb 方法相似，也可以在 **ATK** 中实现（但不太适合本例的体系）。 
 +</WRAP> 
 + 
 +===== 参考 ===== 
 + 
 +  * S.Smidstrup et al., “Improved initial guess for minimum energy path calculations”, J. Chem. Phys. 140, 214106 (2014) [[https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4878664|link]] 
 +  * T.A. Halgren and W. N. Lipscomb, Chem. Phys. Lett. 49, 225 (1977) 
 +  * 英文原文：[[https://docs.quantumwise.com/tutorials/neb_dftb/neb_dftb.html|https://docs.quantumwise.com/tutorials/neb_dftb/neb_dftb.html]]
atk/用dftb-neb研究氨分子翻转反应势垒.1529941038.txt.gz · 最后更改: 2018/06/25 23:37 由 xie.congwei

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