Calcolo delle concentrazioni atmosferiche degli ammassi molecolari dalla termochimica dell'initio ab

Il nostro protocollo fornisce un approccio flessibile e computazalmente fattibile allo studio di ammassi molecolari debolmente legati e può essere prontamente applicato per ottenere informazioni sulla loro struttura, formazione e abbondanza. Il principale vantaggio di questa tecnica è la sua efficienza e flessibilità nel trattamento degli ammassi molecolari a diversi livelli di teoria, dai campi di forza rapidi e metodi semi-empirici ai rigorosi metodi meccanici quantistici. La chimica atmosferica e aerosol può trarre il massimo beneficio da questo approccio che porta a modelli migliori di cambiamento climatico.

Tuttavia, qualsiasi campo che coinvolga ammassi molecolari può sfruttare questo approccio. Per le persone che non hanno mai eseguito questa tecnica, i passaggi più impegnativi sono l'installazione iniziale del programma e dello script e il loro adattamento all'ambiente di elaborazione locale. Gli studenti nuovi alla chimica computazionale possono superare le curve di apprendimento ripide nell'utilizzo di cluster di calcolo ad alte prestazioni attraverso la visualizzazione di istruzioni dettagliate esplicite.

Per ottenere una struttura energetica minima di molecole di glicina isolate da utilizzare in un campionamento configurationale dell'algoritmo genetico, aprire una nuova sessione in Avogadro e fare clic su Costruisci, Inserisci, Peptide, Glicina e Inserisci Peptide per generare un monomero di glicina nella finestra di visualizzazione. Fate clic su Estensioni (Extensions) e Gaussiano (Gaussian) e modificate la prima riga della casella di testo come indicato. Fare clic su Genera e salvare il file di comando glycine.com.

Per ottenere una struttura energetica minima dell'acqua isolata, aprire una nuova sessione in Avogadro e selezionare Costruisci, Inserisci e Frammento. Immettere acqua nella casella di testo del filtro, selezionare il file dell'acqua e fare clic su Inserisci. Fate clic su Estensioni (Extensions) e Gaussiano (Gaussian) e modificate la prima riga della casella di testo come indicato.

Fare clic su Genera e salvare il file di comando water.com. Quindi trasferire i due file COM nel cluster di elaborazione ed eseguire i calcoli Gaussian 09 utilizzando lo script di invio appropriato. Una volta terminati i calcoli sul cluster di calcolo, chiamare babele aperta per generare file xyz delle strutture di energia minima che entrano nel comando come indicato.

Per il campionamento di configurazione basato su algoritmi genetici, aggiungere tutti gli script e i modelli in una cartella e copiare la cartella nel cluster remoto. Assicurarsi che tutti gli script siano eseguibili e utilizzare i comandi indicati per aggiungere il percorso della directory script alla variabile ambientale path. Per ottenere un insieme di strutture a bassa energia per la glicina e l'acqua a livello semi-empirico poco costoso della teoria, creare una directory chiamata gli-h2o-n per la quale n è il numero di molecole d'acqua e creare una sottodirectory chiamata GA sotto la directory gly-h2o-n per eseguire calcoli di algoritmi genetici.

Copiare i file di input ogolem, i monomeri coordinate cartesiane e lo script di invio batch PBS nella directory GA ed eseguire il calcolo GA utilizzando l'esecuzione opportunamente modificata. pbs inviare script. Una volta completato il calcolo, modificare la directory in gly-h2o-n GA pm7 ed eseguire il comando getRotConsts come indicato dove 13 è il numero di atomi nel cluster e zero e nove indicano che ci sono 10 strutture con indici da zero a nove.

In questo modo verranno calcolate le costanti rotazionali dei cluster ottimizzati GA e verrà generato un file denominato rotConstsData_C che contiene un elenco ordinato di tutte le configurazioni di cluster ottimizzate GA, le loro energie e le loro costanti rotazionali. Eseguire la similaritàAnalisi. py con rotConstsData_C file come input per trovare e salvare gli unici cluster ottimizzati GA.

Pm7 verrà utilizzato come etichetta di denominazione dei file per generare un file denominato uniqueStructures-pm7.data. Contiene un elenco ordinato delle configurazioni ottimizzate GA univoche. Nella directory ga gly-h2o-n utilizzare combine-GA.

csh script per combinare i risultati per più esecuzioni GA comparabili e per generare un nuovo elenco di strutture univoche denominato uniqueStructures-pm7. dati nella directory gly-h2o-n GA. La directory di lavoro deve avere l'organizzazione e la struttura esatte come illustrato.

Per perfezionare le strutture dei cluster di acqua glicina dall'algoritmo genetico basato su un metodo semi-empirico a uno usando un metodo meccanico quantistico più accurato, creare una sottodirectory chiamata QM sotto la directory gly-h2o-n. Nella directory QM creare un'altra sottodirectory denominata pw91-sb e copiare l'elenco uniqueStructures dalla directory GA gly-h2o-n nella directory QM pw91-sb. Modificare la directory in gly-h2o-n QM pw91-sb ed eseguire lo script della teoria funzionale della densità di base di piccole dimensioni run-pw91-sb.

csh per il quale sb è un'etichetta per questo insieme di calcoli, Q è la coda preferita nel cluster di elaborazione e 10 indica che 10 calcoli verranno raggruppati in un unico processo batch. Una volta completati i calcoli inviati, utilizzare getRotConsts-dft-sb. script csh per estrarre le energie e calcolare le costanti rotazionali degli ammassi ottimizzati su piccola base.

Qui, pw91 è la densità funzionale utilizzata e n è il numero di atomi nell'ammasso. Utilizzare similaryAnalysis. py come prima per identificare le strutture univoche, ma utilizzare sb come etichetta.

Un elenco di configurazioni uniche ottimizzate a livello di stella pw91 631 più G verrà salvato nell'esclusivoStructures-sb. file di dati. Nella directory QM gly-h2o-n, utilizzare la combinazione combinata QM.

script csh per combinare i risultati di più esecuzioni QM comparabili. La combinazione-QM. il comando csh pw91-sb genererà un nuovo elenco di strutture univoche denominato uniqueStructures-sb.

dati nella directory Gly-h2o-n QM. Per perfezionare ulteriormente le strutture dei cluster di glicina e acqua usando una migliore descrizione meccanica quantistica, create una sottodirectory chiamata pw91-lb sotto la directory QM. Copiare l'elenco delle strutture univoche dalla directory QM pw91-sb nella directory QM pw91-lb e modificare la directory in QM pw91-lb.

Eseguire lo script della teoria funzionale a grande densità di base run-pw91-lb. csh per il quale lb è un'etichetta per questo insieme di calcoli, Q è la coda preferita nel cluster di elaborazione e 10 indica che 10 calcoli devono essere raggruppati in un unico processo batch. Una volta completati i calcoli inviati, utilizzare getRotConsts-dft-lb.

comando csh per calcolare le costanti rotazionali dei cluster ottimizzati su larga base. Qui, pw91 è la densità funzionale utilizzata e n è il numero di atomi nell'ammasso. Utilizzare la similarityAnalysis.

py script come prima d'ora con lb come etichetta per generare un elenco di configurazioni uniche ottimizzate al pw91 6311 plus plus G livello di teoria stellare G e risparmiare nell'esclusivoStructures-lb. file di dati. Per ottenere la struttura vibrazionale e le energie dei cluster di glicina e acqua necessari per calcolare le correzioni termochimiche desiderate, copiare l'elenco delle strutture univoche dalla directory QM pw91-lb alla directory ultrafine QM pw91-lb e cambiare la directory in ultrafine QM/pw91-lb.

Eseguire lo script della teoria funzionale della densità ultrafine run-pw91-lb-ultrafine. csh per il quale uf è un'etichetta per questo insieme di calcoli, Q è la coda preferita nel cluster di elaborazione e 10 indica che 10 calcoli devono essere raggruppati in un unico processo batch. Questo script genererà automaticamente gli input per Gaussian 09 e invierà tutti i calcoli.

Una volta completati i calcoli inviati, utilizzare getRotConsts-dft-lb-ultrafine. comando csh per calcolare le costanti rotazionali dei cluster ottimizzati ultrafini. Qui, pw91 è la densità funzionale utilizzata e n è il numero di atomi nell'ammasso.

Utilizzare la similarityAnalysis. py script come prima d'ora con uf come etichetta per generare e salvare un elenco di configurazioni uniche ottimizzate per i criteri di convergenza ultrafine al pw91 6311 più più il livello della teoria delle stelle G nell'esclusivoStructures-uf. file di dati.

Quindi eseguire il run-thermo-pw91. script csh con uniqueStructures-uf. file di dati come input per calcolare le correzioni termodinamiche.

Copiare e incollare l'output della riga di comando nel foglio di calcolo allegato denominato gly-h2o-n.xls. Poiché le energie grezze di questo calcolo e la n successiva è uguale a due, tre, quattro e cinque calcoli vengono aggiunti al primo foglio del gly-h2o-n. xls spredsheet, la scheda di distribuzione degli idrati che produce la concentrazione di equilibrio degli idrati a diverse temperature, umidità relativa e concentrazioni iniziali di acqua e glicina saranno aggiornate.

Qui si possono osservare isomeri a più bassa energia elettronica dei cluster di acqua glicina. Si noti come la rete di legami idrogeno cresca in complessità man mano che il numero di molecole d'acqua aumenta spostandosi da una rete per lo più planare a una struttura tridimensionale simile a una gabbia a n uguale a cinque. In questa tabella, un esempio dell'output del run-thermo-pw91.

viene visualizzato lo script csh. Per ogni ammasso, l'energia della pw91 6311 più la stella G corrisponde alle energie elettroniche in fase gassosa al pw91 6311 più il livello di teoria delle stelle G calcolato sulle reti di integrazione ultrafine in unità di alcelachi e l'energia vibrazionale a punto zero in unità di kilocalorie per mole. Ad ogni temperatura, il delta di formazione di entalpia calcolato H in un delta G di formazione di energia privo di Gibbs è dato in unità di chilocalorie per talpa e la formazione calcolata di entalpia S è data in unità di calorie per talpa.

In questa tabella, vengono mostrati calcoli rappresentativi del cambiamento energetico totale privo di Gibbs dell'idratazione e dell'idratazione sequenziale. Utilizzando questi dati, è possibile calcolare le concentrazioni atmosferiche di glicina idratata. È necessario installare il software corretto e aggiungere gli script inclusi per riflettere il proprio ambiente calcoloo.

L'aggiunta della posizione degli script al proprio percorso è fondamentale. Questa tecnica è stata utilizzata per determinare l'attività catalitica degli ammassi di acqua atmosferica verso la formazione di legami peptidici per contribuire al campo della chimica prebiotica.