Berechnung der atmosphärischen Konzentrationen molekularer Cluster aus der ab initio Thermochemie

Unser Protokoll bietet einen flexiblen und rechendurchführbaren Ansatz zur Untersuchung schwach gebundener molekularer Cluster und kann leicht angewendet werden, um Einblicke in ihre Struktur, Formation und Fülle zu gewinnen. Der Hauptvorteil dieser Technik ist ihre Effizienz und Flexibilität bei der Behandlung molekularer Cluster auf verschiedenen Theorieebenen von schnellen Kraftfeldern und semiempirischen Methoden bis hin zu strengen quantenmechanischen Methoden. Die Atmosphären- und Aerosolchemie kann am meisten von diesem Ansatz profitieren, der zu besseren Modellen des Klimawandels führt.

Allerdings kann jedes Feld, in das molekulare Cluster eingeschlossen sind, diesen Ansatz ausnutzen. Für Personen, die diese Technik noch nie durchgeführt haben, sind die schwierigsten Schritte die anfängliche Programm- und Skriptinstallation und ihre Anpassung an die lokale Computerumgebung. Schüler, die mit der Computerchemie neu sind, können die steilen Lernkurven bei der Verwendung von Hochleistungs-Computing-Clustern durch die Visualisierung expliziter Schritt-für-Schritt-Anleitungen überwinden.

Um eine minimale Energiestruktur isolierter Glycinmoleküle für die Verwendung in einer genetischen Algorithmus-Konfigurationsprobe zu erhalten, öffnen Sie eine neue Sitzung in Avogadro und klicken Sie auf Build, Insert, Peptid, Glycin und Insert Peptid, um ein Glycinmonomer im Visualisierungsfenster zu erzeugen. Klicken Sie auf Erweiterungen und Gaußian, und bearbeiten Sie die erste Zeile im Textfeld wie angegeben. Klicken Sie auf Generieren und speichern Sie die Befehlsdatei als glycine.com.

Um eine minimale Energiestruktur isolierten Wassers zu erhalten, öffnen Sie eine neue Sitzung in Avogadro, und wählen Sie Build, Insert und Fragment aus. Geben Sie Wasser in das Filtertextfeld ein, wählen Sie die Wasserdatei aus und klicken Sie auf Einfügen. Klicken Sie auf Erweiterungen und Gaußian, und bearbeiten Sie die erste Zeile im Textfeld wie angegeben.

Klicken Sie auf Generieren und speichern Sie die Befehlsdatei als water.com. Übertragen Sie dann die beiden com-Dateien in den Computercluster und führen Sie die Gaußschen 09-Berechnungen mit dem entsprechenden Übermittlungsskript aus. Sobald die Berechnungen auf dem Computercluster abgeschlossen sind, rufen Sie open babel auf, um xyz-Dateien der minimalen Energiestrukturen zu generieren, die wie angegeben in den Befehl eintreten.

Fügen Sie für genetischealgorithmusbasiertes Konfigurationssampling alle Skripts und Vorlagen in einen Ordner ein, und kopieren Sie den Ordner in den Remotecluster. Stellen Sie sicher, dass alle Skripts ausführbar sind, und verwenden Sie die angegebenen Befehle, um den Speicherort des Skriptverzeichnisses zur Pfadumgebungsvariablen hinzuzufügen. Um eine Reihe von Niedrigenergiestrukturen für Glycin und Wasser auf der kostengünstigen semi-empirischen Theorieebene zu erhalten, erstellen Sie ein Verzeichnis namens gly-h2o-n, für das n die Anzahl der Wassermoleküle ist, und erstellen Sie ein Unterverzeichnis namens GA unter dem Verzeichnis gly-h2o-n, um genetische Algorithmusberechnungen durchzuführen.

Kopieren Sie die ogolem-Eingabedateien, monomers-kartesischen Koordinaten und das PBS-Batch-Übermittlungsskript in das GA-Verzeichnis, und führen Sie die GA-Berechnung mit der entsprechend geänderten Ausführung aus. pbs senden Skript. Sobald die Berechnung abgeschlossen ist, ändern Sie das Verzeichnis in gly-h2o-n GA pm7 und führen Sie den Befehl getRotConsts wie angegeben aus, wobei 13 die Anzahl der Atome im Cluster und Null und neun angibt, dass es 10 Strukturen mit den Indizes Null bis Neun gibt.

Dadurch werden die Rotationskonstanten der GA-optimierten Cluster berechnet und eine Datei namens rotConstsData_C generiert, die eine sortierte Liste aller GA-optimierten Clusterkonfigurationen, ihrer Energien und ihrer Rotationskonstanten enthält. Führen Sie die Ähnlichkeitsanalyse aus. py-Skript mit rotConstsData_C Datei als Eingabe, um die einzigartigen GA-optimierten Cluster zu finden und zu speichern.

Pm7 wird als Dateinamenverwendet verwendet, um eine Datei namens uniqueStructures-pm7.data zu generieren. Diese enthält eine sortierte Liste der eindeutigen GA-optimierten Konfigurationen. Verwenden Sie im Verzeichnis gly-h2o-n GA den Combine-GA.

csh-Skript, um die Ergebnisse für mehrere vergleichbare GA-Ausführungen zu kombinieren und eine neue Liste eindeutiger Strukturen mit dem Namen uniqueStructures-pm7 zu generieren. Daten im Verzeichnis gly-h2o-n GA. Das Arbeitsverzeichnis sollte die genaue Organisation und Struktur haben, wie dargestellt.

Um die Strukturen der Glycin-Wasser-Cluster vom genetischen Algorithmus basierend auf einer semi-empirischen Methode zu einem mit einer genaueren quantenmechanischen Methode zu verfeinern, erstellen Sie ein Unterverzeichnis namens QM unter dem Verzeichnis gly-h2o-n. Erstellen Sie unter dem VERZEICHNIS QM ein weiteres Unterverzeichnis mit dem Namen pw91-sb und kopieren Sie die uniqueStructures-Liste aus dem Verzeichnis gly-h2o-n GA in das Verzeichnis QM pw91-sb. Ändern Sie das Verzeichnis in gly-h2o-n QM pw91-sb und führen Sie das kleine Basis-Set-Dichte-Funktionstheorieskript run-pw91-sb aus.

csh, für das sb eine Bezeichnung für diesen Satz von Berechnungen ist, Q ist die bevorzugte Warteschlange im Computercluster, und 10 gibt an, dass 10 Berechnungen in einer Stapelverarbeitung gruppiert werden. Sobald die übermittelten Berechnungen abgeschlossen sind, verwenden Sie die datei-de.b. csh-Skript, um die Energien zu extrahieren und die Rotationskonstanten der kleinen Basis optimierten Cluster zu berechnen.

Hier ist pw91 die verwendete Dichtefunktion und n die Anzahl der Atome im Cluster. Verwenden Sie die similaryAnalysis. py Skript wie zuvor, um die eindeutigen Strukturen zu identifizieren, aber sb als Bezeichnung verwenden.

Eine Liste einzigartiger Konfigurationen, die auf der Pw91 631 plus G-Sternebene optimiert sind, wird in der einzigartigen Structures-sb gespeichert. Datendatei. Verwenden Sie im Verzeichnis gly-h2o-n QM den kombinierten Combine-QM.

csh-Skript, um die Ergebnisse mehrerer vergleichbarer QM-Ausführungen zu kombinieren. Der Combine-QM. der Befehl csh pw91-sb generiert eine neue Liste eindeutiger Strukturen mit dem Namen uniqueStructures-sb.

Daten im Verzeichnis gly-h2o-n QM. Um die Strukturen der Glycin- und Wassercluster mit einer besseren quantenmechanischen Beschreibung weiter zu verfeinern, erstellen Sie unter dem QM-Verzeichnis ein Unterverzeichnis namens pw91-lb. Kopieren Sie die Liste der eindeutigen Strukturen aus dem Verzeichnis QM pw91-sb in das Verzeichnis QM pw91-lb und ändern Sie das Verzeichnis in QM pw91-lb.

Führen Sie das funktionstheoretische Skript für die große Basisdichte run-pw91-lb aus. csh, für das lb eine Bezeichnung für diesen Satz von Berechnungen ist, Q ist die bevorzugte Warteschlange im Computercluster, und 10 gibt an, dass 10 Berechnungen in einer Stapelverarbeitung gruppiert werden sollen. Sobald die übermittelten Berechnungen abgeschlossen sind, verwenden Sie die datei-de.b.: getRotConsts-dft-lb.

csh-Befehl, um die Rotationskonstanten der großen Basis optimierten Cluster zu berechnen. Hier ist pw91 die verwendete Dichtefunktion und n die Anzahl der Atome im Cluster. Verwenden Sie die ÄhnlichkeitAnalyse.

py script as before now with lb as the label to generate a list of unique configurations optimized at the pw91 6311 plus plus G star star theory level and save in the uniqueStructures-lb. Datendatei. Um die Schwingungsstruktur und die Energien der Glyin- und Wassercluster zu erhalten, die für die Berechnung der gewünschten thermochemischen Korrekturen erforderlich sind, kopieren Sie die Liste der einzigartigen Strukturen aus dem Verzeichnis QM pw91-lb in das Verzeichnis QM pw91-lb ultrafine und ändern Sie das Verzeichnis in QM/pw91-lb ultrafine.

Führen Sie das ultrafeine Dichte-Funktionstheorieskript run-pw91-lb-ultrafine aus. csh, für das uf eine Bezeichnung für diesen Satz von Berechnungen ist, Q ist die bevorzugte Warteschlange im Computercluster, und 10 gibt an, dass 10 Berechnungen in einer Stapelverarbeitung gruppiert werden sollen. Dieses Skript generiert automatisch die Eingaben für Gaußian 09 und übermittelt alle Berechnungen.

Sobald die übermittelten Berechnungen abgeschlossen sind, verwenden Sie die datei-getRotConsts-dft-lb-ultrafine. csh-Befehl, um die Rotationskonstanten der ultrafein optimierten Cluster zu berechnen. Hier ist pw91 die verwendete Dichtefunktion und n die Anzahl der Atome im Cluster.

Verwenden Sie die ÄhnlichkeitAnalyse. py script as before now with uf as the label to generate and save a list of unique configurations optimized to ultrafine convergence criteria at the pw91 6311 plus plus G star star theory level in the uniqueStructures-uf. Datendatei.

Führen Sie dann den Run-thermo-pw91 aus. csh-Skript mit uniqueStructures-uf. Datendatei als Eingabe zur Berechnung der thermodynamischen Korrekturen.

Kopieren sie die Befehlszeilenausgabe in die angehängte Kalkulationstabelle mit dem Namen gly-h2o-n.xls. Da die Rohenergien dieser Berechnung und der nachfolgenden n gleich zwei, drei, vier und fünf Berechnungen dem ersten Blatt des gly-h2o-n hinzugefügt werden. xls spredsheet, das Hydrat-Verteilungsblatt, das die Gleichgewichtskonzentration von Hydraten bei unterschiedlichen Temperaturen, relativer Luftfeuchtigkeit und anfangsigen Konzentrationen von Wasser und Glycin ergibt, wird aktualisiert.

Hier können niedrigste elektronische Energie-Isomer von Glycin-Wasser-Clustern beobachtet werden. Beachten Sie, wie das Wasserstoffbindungsnetz an Komplexität wächst, wenn die Anzahl der Wassermoleküle zunimmt, die sich von einem meist planaren Netzwerk zu einer dreidimensionalen käfigartigen Struktur bei n gleich fünf bewegt. In dieser Tabelle ein Beispiel für die Ausgabe des run-thermo-pw91.

csh-Skript wird angezeigt. Für jeden Cluster entspricht die Energie des pw91 6311 plus G Sternsterns den elektronischen Gasphasenenergien auf der pw91 6311 plus plus G-Stern-Theorieebene, berechnet auf ultrafeinen Integrationsgittern in Hartreeseinheiten sowie der Nullpunkt-Schwingungsenergie in Einheiten von Kilokalorien pro Maulwurf. Bei jeder Temperatur wird das berechnete Enthalpiebildungsdelta H in einem Gibbs-freien Energiebildungsdelta G in Einheiten von Kilokalorien pro Maulwurf und die berechnete Enthalpiebildung S in Kalorieneinheiten pro Maulwurf angegeben.

In dieser Tabelle werden repräsentative Berechnungen der gesamten Gibbs-freien Energieänderung der Hydratation und der sequentiellen Hydratation dargestellt. Anhand dieser Daten können die atmosphärischen Konzentrationen von hydratisiertem Glycin berechnet werden. Man muss die richtige Software installieren und die enthaltenen Skripte hinzugefügt, um die eigene Computerumgebung widerzuspiegeln.

Das Hinzufügen des Speicherorts der Skripte zum eigenen Pfad ist von entscheidender Bedeutung. Diese Technik wurde verwendet, um die katalytische Aktivität von atmosphärischen Wasserclustern in Richtung Peptidbindungbildung zu bestimmen, um zum Bereich der präbiotischen Chemie beizutragen.