Calcul des concentrations atmosphériques de grappes moléculaires de la thermochimie ab initio

Notre protocole fournit une approche flexible et faisable sur le plan informatique pour étudier les grappes moléculaires faiblement liées et peut être facilement appliquée pour obtenir un aperçu de leur structure, de leur formation et de leur abondance. Le principal avantage de cette technique est son efficacité et sa flexibilité dans le traitement des grappes moléculaires à différents niveaux de théorie, des champs de force rapides aux méthodes semi-empiriques en en passe de méthodes mécaniques quantiques rigoureuses. La chimie atmosphérique et aérosol peut tirer le meilleur parti de cette approche menant à de meilleurs modèles de changement climatique.

Toutefois, tout domaine impliquant des grappes moléculaires peut exploiter cette approche. Pour les personnes qui n’ont jamais effectué cette technique, les étapes les plus difficiles sont le programme initial et l’installation du script et leur adaptation à l’environnement informatique local. Les étudiants nouveaux en chimie computationnelle peuvent surmonter les courbes d’apprentissage abruptes en utilisant des clusters informatiques haute performance grâce à la visualisation d’instructions explicites étape par étape.

Pour obtenir une structure énergétique minimale de molécules de glycine isolées pour une utilisation dans un algorithme génétique d’échantillonnage configurationnel, ouvrir une nouvelle session à Avogadro et cliquez sur Construire, Insérer, Peptide, Glycine, et Insérer Peptide pour générer un monomère glycine dans la fenêtre de visualisation. Cliquez sur Extensions et Gaussian et modifiez la première ligne dans la boîte de texte comme indiqué. Cliquez sur Générer et enregistrer le fichier de commande comme glycine.com.

Pour obtenir une structure énergétique minimale d’eau isolée, ouvrez une nouvelle session à Avogadro et sélectionnez Build, Insert et Fragment. Entrez de l’eau dans la boîte à texte du filtre, sélectionnez le fichier d’eau et cliquez sur Insérer. Cliquez sur Extensions et Gaussian et modifiez la première ligne dans la boîte de texte comme indiqué.

Cliquez sur Générer et enregistrer le fichier de commande comme water.com. Transférez ensuite les deux fichiers com au cluster informatique et exécutez les calculs Gaussian 09 à l’aide du script de soumettre approprié. Une fois les calculs terminés sur le cluster informatique, appelez babel ouvert pour générer des fichiers xyz des structures énergétiques minimales entrant dans la commande comme indiqué.

Pour l’échantillonnage configurationnel basé sur des algorithmes génétiques, ajoutez tous les scripts et modèles dans un dossier et copiez le dossier au cluster distant. Assurez-vous que tous les scripts sont exécutables et utilisez les commandes indiquées pour ajouter l’emplacement de l’annuaire des scripts à la variable environnementale du chemin. Pour obtenir un ensemble de structures à faible consommation d’énergie pour la glycine et l’eau au niveau semi-empirique peu coûteux de la théorie, créer un répertoire appelé gly-h2o-n pour lequel n est le nombre de molécules d’eau et de créer un sous-directeur appelé GA sous le répertoire gly-h2o-n pour exécuter des calculs algorithme génétique.

Copiez les fichiers d’entrée ogolem, les coordonnées cartésiennes monomères et le script de soumission par lots PBS dans le répertoire GA et exécutez le calcul GA à l’aide de l’exécuter correctement modifié. pbs soumettre script. Une fois le calcul terminé, modifiez le répertoire en ga pm7 gly-h2o-n et exécutez la commande getRotConsts comme indiqué où 13 est le nombre d’atomes dans l’amas et zéro et neuf indiquent qu’il y a 10 structures avec des indices zéro à neuf.

Cela calculera les constantes de rotation des clusters optimisés GA et générera un fichier appelé rotConstsData_C qui contient une liste triée de toutes les configurations de cluster optimisées GA, de leurs énergies et de leurs constantes de rotation. Exécuter la similitudeAnalysis. py script avec rotConstsData_C fichier comme une entrée pour trouver et enregistrer les clusters optimisés GA unique.

Pm7 sera utilisé comme étiquette de nom de fichier pour générer un fichier appelé uniqueStructures-pm7.data. Ceci contient une liste triée des configurations optimisées ga uniques. Dans l’annuaire gly-h2o-n GA, utilisez le combine-GA.

script csh pour combiner les résultats pour plusieurs courses ga comparables et de générer une nouvelle liste de structures uniques nommé uniqueStructures-pm7. données dans le répertoire gly-h2o-n GA. L’annuaire de travail devrait avoir l’organisation et la structure exactes comme illustré.

Pour affiner les structures des amas d’eau glycine de l’algorithme génétique basé sur une méthode semi-empirique à une méthode utilisant une méthode mécanique quantique plus précise, créez un sous-directeur appelé QM sous le répertoire gly-h2o-n. Sous le répertoire QM, créez un autre sous-directeur nommé pw91-sb et copiez la liste uniquestructures du répertoire gly-h2o-n GA au répertoire QM pw91-sb. Changez l’annuaire en gly-h2o-n QM pw91-sb et exécutez la petite base définie script de théorie fonctionnelle run-pw91-sb.

csh pour lequel sb est une étiquette pour cet ensemble de calculs, Q est la file d’attente préférée sur le cluster informatique, et 10 indique que 10 calculs seront regroupés en un seul travail de lot. Une fois les calculs soumis terminés, utilisez le getRotConsts-dft-sb. script csh pour extraire les énergies et calculer les constantes de rotation des petits clusters optimisés de base.

Ici, pw91 est la densité fonctionnelle utilisée et n est le nombre d’atomes dans l’amas. Utilisez la similaryAnalysis. py script comme avant pour identifier les structures uniques, mais utiliser sb comme l’étiquette.

Une liste de configurations uniques optimisées au niveau pw91 631 plus G star de la théorie sera enregistrée dans l’uniqueStructures-sb. fichier de données. Dans l’annuaire gly-h2o-n QM, utilisez la moissonneuse-batteuse combinée-QM.

script csh pour combiner les résultats de plusieurs séries QM comparables. La moissonneuse-batteuse-QM. csh pw91-sb commande générera une nouvelle liste de structures uniques nommé uniqueStructures-sb.

données dans le répertoire gly-h2o-n QM. Pour affiner davantage les structures des grappes de glycine et d’eau à l’aide d’une meilleure description mécanique quantique, créez un sous-directeur appelé pw91-lb sous le répertoire QM. Copiez la liste des structures uniques du répertoire QM pw91-sb à l’annuaire QM pw91-lb et changez l’annuaire en QM pw91-lb.

Exécutez la grande densité de base script de théorie fonctionnelle run-pw91-lb. csh pour lequel lb est une étiquette pour cet ensemble de calculs, Q est la file d’attente préférée sur le cluster informatique, et 10 indique que 10 calculs doivent être regroupés en un seul travail de lot. Une fois les calculs soumis terminés, utilisez le getRotConsts-dft-lb.

commande csh pour calculer les constantes de rotation des clusters optimisés à grande base. Ici, pw91 est la densité fonctionnelle utilisée et n est le nombre d’atomes dans l’amas. Utilisez la similitudeAnalysis.

py script comme avant maintenant avec lb comme l’étiquette pour générer une liste de configurations uniques optimisées au pw91 6311 plus plus G star star niveau théorie et enregistrer dans l’uniqueStructures-lb. fichier de données. Pour obtenir la structure vibratoire et les énergies des grappes de glycine et d’eau nécessaires pour calculer les corrections thermochimiques souhaitées, copiez la liste des structures uniques du répertoire QM pw91-lb au répertoire ultrafine QM pw91-lb et changez l’annuaire en ultrafine QM/pw91-lb.

Exécutez le script de théorie fonctionnelle ultrafine run-pw91-lb-ultrafine. csh pour lequel uf est une étiquette pour cet ensemble de calculs, Q est la file d’attente préférée sur le cluster informatique, et 10 indique que 10 calculs doivent être regroupés en un seul travail de lot. Ce script générera automatiquement les entrées pour Gaussian 09 et soumettra tous les calculs.

Une fois les calculs soumis terminés, utilisez le getRotConsts-dft-lb-ultrafine. commande csh pour calculer les constantes de rotation des clusters optimisés ultrafine. Ici, pw91 est la densité fonctionnelle utilisée et n est le nombre d’atomes dans l’amas.

Utilisez la similitudeAnalysis. py script comme avant maintenant avec uf comme l’étiquette pour générer et enregistrer une liste de configurations uniques optimisées pour ultrafine critères de convergence au pw91 6311 plus plus G star star niveau de théorie dans l’uniqueStructures-uf. fichier de données.

Ensuite, exécutez le run-thermo-pw91. script csh avec uniqueStructures-uf. fichier de données comme entrée pour calculer les corrections thermodynamiques.

Copiez et coller la sortie de la ligne de commande à la feuille de calcul ci-jointe nommée gly-h2o-n.xls. Comme les énergies brutes de ce calcul et le n suivant équivaut à deux, trois, quatre et cinq calculs sont ajoutés à la première feuille du gly-h2o-n. xls spredsheet, la feuille de distribution d’hydrates qui donne la concentration d’équilibre des hydrates à différentes températures, l’humidité relative, et les concentrations initiales d’eau et de glycine seront mises à jour.

Ici, on peut observer les isomères électroniques les plus faibles des grappes de glycine-eau. Notez comment le réseau de liaison hydrogène augmente en complexité à mesure que le nombre de molécules d’eau augmente passant d’un réseau principalement planaire à une structure tridimensionnelle en forme de cage à n équivaut à cinq. Dans ce tableau, un exemple de la sortie du run-thermo-pw91.

csh script est affiché. Pour chaque amas, l’énergie du pw91 6311 plus plus l’étoile G correspond aux énergies électroniques de phase gaz au pw91 6311 plus plus le niveau d’étoile G de la théorie calculé sur les grilles d’intégration ultrafine dans les unités de hartrees ainsi que l’énergie vibratoire zéro point dans les unités de kilocalorie par taupe. À chaque température, le delta de formation d’enthalpie calculé H dans un delta de formation d’énergie sans Gibbs G sont donnés dans les unités de kilocalories par taupe et la formation calculée d’enthalpie S est donnée en unités de calories par taupe.

Dans ce tableau, des calculs représentatifs du changement énergétique total sans Gibbs de l’hydratation et de l’hydratation séquentielle sont montrés. À l’aide de ces données, les concentrations atmosphériques de glycine hydratée peuvent être calculées. Il faut installer le bon logiciel et ajouter les scripts inclus pour refléter son propre environnement informatique.

Il est crucial d’ajouter l’emplacement des scripts à son chemin. Cette technique a été utilisée pour déterminer l’activité catalytique des amas d’eau atmosphérique vers la formation de liaison peptidique pour contribuer au domaine de la chimie prébiotique.