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用 DFTB-NEB 研究氨分子翻转反应势垒
在本教程,您将学习利用弹性带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(dftb.org)。
设置 NEB 对象
打开
Builder,点击 Add
From Database。
Database 工具打开后,从菜单中选择 Datebases
Molecules。在搜索栏输入 “Ammonia”,您将看到如下:
双击搜索结果栏的 “Ammonia”(或者点击 按钮),氨分子被添加到 Stash。
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。
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。
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。
运行 NEB 模拟
设置实际运算,采用 Send to 按钮 将 NEB 对象发送到 Script Generator。
在 Script Generator,添加以下模块:
New Calculator
OptimizeGeometry
修改默认输出文件名称为 nh3_neb.nc
。
打开 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。
打开 OptimizeGeometry 模块,做如下设置。
现在您已经做好了 NEB 优化的准备,发送脚本到 Job Manager 执行运算。
本次优化依赖于您的电脑将耗时 20-30 分钟。
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。
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。
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。
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。
一种快速计算的方法
参考