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量化学习——结构优化

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本文字数： 3k 阅读时长 ≈ 5 分钟

最近看了Tim（B站UP主）的一些视频后，产生了写一些内容的想法，以实现以写促学的目的。现阶段，我在计算方面的学习止步不前，还停留在吃老本的阶段（虽然没有什么老本可吃），但又想再学习一些新东西的想法，因此，开始想写一些计算的知识点整理（仅为DFT计算），一是帮助有可能看到这篇博文的读者，二是巩固自己的对这些内容的掌握。所写内容可能不成体系，没有前后逻辑关系，所以选择自己想看的部分吧。这部分主要写结构优化的部分，涉及分子结构的构建、任务的提交和结果的查看。

什么是结构优化

结构优化是指对整个输入体系的坐标进行调整，得到一个相对稳定的基态结构。我们知道基态是一个稳定态，但是对于一个基态势能面，我们需要去找一个最稳定的点，也就是所谓的极小值点（你可以想象在一个凹凸不平的平面上找那里面的凹陷点）。但是对于整个势能面来说，势能面上不止一个极小值点，因此有必要去找最小值点（这个点的能量最低，也意味着更稳定，但这不是一个必要条件，需要根据情况去选择最优结构）。

在Gaussian中结构优化的关键词为opt。

而结构优化根据优化需求分为非限制性优化和限制性优化，常规优化一般为非限制性优化，即基于所有原子的优化。

分子结构的构建

手搓版

对于没有晶体结构或者没有报道结构信息的分子，这种分子结构就需要通过建模软件手搓，常用的手搓软件有GaussView和Avogadro（推荐前者）。

关于如何使用GaussView可以见《基于Gaussian理论计算的粗浅经验小结》中的GaussView软件的操作。

非手搓版

对于那些有晶体结构的分子，可以通过获取晶体结构的xyz坐标来作为优化的分子坐标。而对于那些已被报道的结构信息分子，可以通过文献获取相应的分子坐标。

当然也可以通过对这些结构进行修饰来获取目标结构，这将极大的减少工作量，尤其是具有立体空间关系的分子，如配合物、分子笼、MOFs。

任务的提交

在提交任务之前，要对分子结构进行任务的设置。

对于非限制性结构优化的分子，只需要使用结构优化的关键词opt即可。而对于限制性结构优化的分子，则需要考虑原子冻结的问题。对于原子冻结来说，一般分为两种方法。

方法一：

对想冻结的原子可以在文本文件的坐标部分进行修改，如想冻结原子1，在原子1符号和原子1坐标之间添加-1即可，对于不冻结原子，添加数字0即可。形式如下。

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%chk=molecular1.chk
# b3lyp/6-31g* opt freq

Title Card Required

0 1
 C                0    1.99146523   -0.66145091    0.00000000
 H                0    2.34811966   -1.67026092    0.00000000
 H                0    2.34813807   -0.15705272   -0.87365150
 H                0    0.92146523   -0.66143773    0.00000000
 C               -1    2.50480745    0.06450536    1.25740497
 H                0    3.57480564    0.06279829    1.25838332
 H                0    2.14653849   -0.43876264    2.13105517
 C               -1    1.99379147    1.51724783    1.25599826
 H               -1    0.92379369    1.51895378    1.25464336
 H               -1    2.35015690    2.02153807    2.12983751
 H               -1    2.35236743    2.02062424    0.38253649


当然如上的冻结方式也可以通过GaussView进行操作。

首先将输入文件导入GaussView，使用原子选择工具选择需要冻结的原子。接下来点击分子窗口的原子，选中后该原子为亮黄色。这时点击Tools下的Atom groups…选项，显示如下窗口界面。这时需要将Atom Group Class选择改为Freeze，以及选中Freeze (Yes)，点击Group Actions … 中的Add Selected Atoms to “Freeze (Yes)”。

ff240d57-01

冻结完原子后，可以看到如下图中的Freeze (Yes)行中的Atom Tags中发现已经有了对应的原子序号。这时关闭Atom Group Editor窗口，保存文件即可。（对于冻结原子显示绿色的外发光，而不冻结原子显示红色外发光）

ff240d57-02

查阅输入文件的文本形式，也可以发现在原子符号和原子坐标之间添加了0和-1，说明已经冻结了想要冻结的原子。

方法二：

对于一类原子时，就可以使用一个讨巧的方法，在关键词opt后添加readopt选项，这时只需要在原子坐标后空一行然后用notatoms=冻结原子元素符号1,冻结原子元素符号2,冻结原子元素符号3来冻结原子即可。形式如下。

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%chk=molecular1.chk
# b3lyp/6-31g* opt=readopt freq

Title Card Required

0 1
 C                   1.99146523   -0.66145091    0.00000000
 H                   2.34811966   -1.67026092    0.00000000
 H                   2.34813807   -0.15705272   -0.87365150
 H                   0.92146523   -0.66143773    0.00000000
 C                   2.50480745    0.06450536    1.25740497
 H                   3.57480564    0.06279829    1.25838332
 H                   2.14653849   -0.43876264    2.13105517
 C                   1.99379147    1.51724783    1.25599826
 H                   0.92379369    1.51895378    1.25464336
 H                   2.35015690    2.02153807    2.12983751
 H                   2.35236743    2.02062424    0.38253649

notatoms=C


对于上面两种方法，建议根据实际情况来选择，如果是冻结部分基团，那么方法一更加灵活，如果是冻结好几种元素，只优化一种元素时，方法二则更便捷。

完成上面操作后，就可以像其他任务一样，将任务提交到对应的服务器，当然自己最好对输入文件设置内存和核数的多少，这样有利于对服务器资源的管理于分配。如果不会任务的提交，请查阅《基于Gaussian理论计算的粗浅经验小结》。

注：一般在进行优化计算的时候，都会写上freq，同时进行频率计算，以方便验证计算结果得到的结构是否为最优结构，如果没有虚频说明这个可用。但是否符合自己的预期，就需要根据自己的需要来判断是否可以被自己用于接下来的计算。

结果的查看

计算任务结束后，就可以得到一个out文件或者log文件（这两个都是日志文件，记录计算输出的信息）。

将一个计算完的out文件拖入GaussView后，就可以看到优化后的结构，以及优化了多少步，同时在分子结构窗口点击鼠标右键点击Results中的Summary…，就可以看到优化完后的一些分子信息，包括计算的方法和基组、分子的自旋多重度和能量，以及在这里最关心的虚频数。

如果是0，则说明这个结构可用，否者就需要重新的调整分子进行结构优化。

ff240d57-03

最后

本文介绍的内容是所有计算最开始的工作，如果不能获得一个优化好的结构，那么对于后续的所有计算都存在不合理性，对于数据的可信度也就有待商榷了。本文整理的内容比较简单，但对于大多数结构优化的任务，就是这样的操作，希望对能够读到这篇博文的人有所帮助。