Berekening van atmosferische concentraties van moleculaire clusters van ab initio Thermochemie

Ons protocol biedt een flexibele en rekenkundig haalbare benadering van het bestuderen van zwak gebonden moleculaire clusters en kan gemakkelijk worden toegepast om inzicht te krijgen in hun structuur, vorming en overvloed. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is de efficiëntie en flexibiliteit bij de behandeling van moleculaire clusters op verschillende niveaus van theorie, van snelle krachtvelden en semi-empirische methoden tot rigoureuze kwantummechanische methoden. Atmosferische en aerosol chemie kan het meest profiteren van deze aanpak leidt tot betere modellen van klimaatverandering.

Echter, elk gebied waarbij moleculaire clusters kunnen deze aanpak te benutten. Voor personen die deze techniek nog nooit hebben uitgevoerd, zijn de meest uitdagende stappen de initiële installatie van het programma en het script en hun aanpassing aan de lokale computeromgeving. Studenten die nieuw zijn in computationele chemie kunnen de steile leercurven overwinnen in het gebruik van high-performance computing clusters door de visualisatie van expliciete stap-voor-stap instructies.

Als u een minimale energiestructuur van geïsoleerde glycinemoleculen wilt verkrijgen voor gebruik in een configuratie van een genetisch algoritme, opent u een nieuwe sessie in Avogadro en klikt u op Build, Insert, Peptide, Glycine en Insert Peptide om een glycinemonomeer in het visualisatievenster te genereren. Klik op Extensies en Gaussian en bewerk de eerste regel in het tekstvak zoals aangegeven. Klik op Genereren en sla het opdrachtbestand op als glycine.com.

Als u een minimale energiestructuur van geïsoleerd water wilt verkrijgen, opent u een nieuwe sessie in Avogadro en selecteert u Bouwen, Invoegen en Fragment. Voer water in het tekstvak filteren, selecteer het waterbestand en klik op Invoegen. Klik op Extensies en Gaussian en bewerk de eerste regel in het tekstvak zoals aangegeven.

Klik op Genereren en sla het opdrachtbestand op als water.com. Breng vervolgens de twee com-bestanden over naar het computercluster en voer de Gaussian 09-berekeningen uit met behulp van het juiste verzendscript. Zodra de berekeningen zijn voltooid op het computercluster, roept u babel open om xyz-bestanden te genereren van de minimale energiestructuren die de opdracht invoeren zoals aangegeven.

Voor configuraties op basis van genetische algoritmen voegt u alle scripts en sjablonen toe aan een map en kopieert u de map naar het externe cluster. Zorg ervoor dat alle scripts uitvoerbaar zijn en gebruik de opdrachten zoals aangegeven om de locatie van de scriptmap toe te voegen aan de variabele padmilieu. Om een set van low-energy structuren voor glycine en water te verkrijgen op het goedkope semi-empirische niveau van de theorie, maak een directory genaamd gly-h2o-n waarvoor n is het aantal watermoleculen en maak een subrichting genaamd GA onder de gly-h2o-n directory om genetische algoritme berekeningen uit te voeren.

Kopieer de ogolem invoerbestanden, monomeren Cartesiaanse coördinaten en PBS batch indiening script in de GA directory en voer de GA berekening met behulp van de juiste gewijzigde run. pbs indienen script. Zodra de berekening is voltooid, wijzigt u de map in gly-h2o-n GA pm7 en voert u het opdracht getRotConsts uit, zoals aangegeven waar 13 het aantal atomen in het cluster en nul is en negen geven aan dat er 10 structuren zijn met indexen nul tot en met negen.

Dit berekent de rotatieconstanten van de GA-geoptimaliseerde clusters en genereert een bestand genaamd rotConstsData_C dat een gesorteerde lijst bevat van alle door de GA geoptimaliseerde clusterconfiguraties, hun energieën en hun rotatieconstanten. Voer de gelijkenisAnalyse uit. py script met rotConstsData_C bestand als een input te vinden en op te slaan de unieke GA geoptimaliseerde clusters.

Pm7 zal worden gebruikt als een bestand naamgeving label om een bestand genaamd uniqueStructures-pm7.data te genereren. Dit bevat een gesorteerde lijst van de unieke GA geoptimaliseerde configuraties. Gebruik in de gly-h2o-n GA-map de combine-GA.

csh script om de resultaten te combineren voor meerdere vergelijkbare GA-runs en om een nieuwe unieke structuren lijst genaamd uniqueStructures-pm7 genereren. gegevens in de gly-h2o-n GA-map. De werkmap moet de exacte organisatie en structuur hebben zoals afgebeeld.

Om de structuren van de glycine water clusters te verfijnen van het genetische algoritme op basis van een semi-empirische methode om een met behulp van een meer nauwkeurige kwantum mechanische methode, maak een subrichting genaamd QM onder de gly-h2o-n directory. Maak onder de QM-map een andere submap met de naam pw91-sb en kopieer de uniekestructureslijst uit de gly-h2o-n GA-map naar de QM pw91-sb-map. Verander de directory in gly-h2o-n QM pw91-sb en voer de kleine basisset dichtheid functionele theorie script run-pw91-sb uit.

csh waarvoor sb een label is voor deze set berekeningen, Q is de voorkeurswachtrij op het computercluster en 10 geeft aan dat 10 berekeningen worden gegroepeerd in één batchtaak. Zodra de ingediende berekeningen zijn voltooid, gebruik maken van de getRotConsts-dft-sb. csh script om de energieën te extraheren en de rotatieconstanten van de kleine basis geoptimaliseerde clusters te berekenen.

Hier is pw91 de dichtheid functionele gebruikt en n is het aantal atomen in het cluster. Gebruik de similaryAnalysis. py script als voorheen om de unieke structuren te identificeren, maar gebruik sb als het etiket.

Een lijst van unieke configuraties geoptimaliseerd op de pw91 631 plus G ster niveau van de theorie zal worden opgeslagen in de uniekeStructures-sb. gegevensbestand. Gebruik in de gly-h2o-n QM-map de gecombineerde combine-QM.

csh script om de resultaten van meerdere vergelijkbare QM-runs te combineren. De combine-QM. csh pw91-sb commando zal een nieuwe unieke structuren lijst genaamd uniqueStructures-sb genereren.

gegevens in de gly-h2o-n QM-map. Om de structuren van de glycine- en waterclusters verder te verfijnen met behulp van een betere kwantummechanische beschrijving, maakt u een submap genaamd pw91-lb onder de QM-directory. Kopieer de lijst met unieke structuren uit de QM pw91-sb-map naar de QM pw91-lb-directory en wijzig de directory in QM pw91-lb.

Voer de grote basis dichtheid functionele theorie script run-pw91-lb. csh waarvoor lb een label is voor deze set berekeningen, Q is de voorkeurswachtrij op het computercluster en 10 geeft aan dat 10 berekeningen moeten worden gegroepeerd in één batchtaak. Zodra de ingediende berekeningen zijn voltooid, gebruik maken van de getRotConsts-dft-lb.

csh-opdracht om de rotatieconstanten van de grote basisgeoptimaliseerde clusters te berekenen. Hier is pw91 de dichtheid functionele gebruikt en n is het aantal atomen in het cluster. Gebruik de gelijkenisAnalyse.

py script zoals voorheen nu met lb als het label om een lijst van unieke configuraties geoptimaliseerd op de pw91 6311 plus plus G ster ster theorie niveau te genereren en op te slaan in de uniekeStructures-lb. gegevensbestand. Om de trillingsstructuur en en-energieën van de glycine- en waterclusters te verkrijgen die nodig zijn om de gewenste thermochemische correcties te berekenen, kopieert u de lijst met unieke structuren uit de QM pw91-lb-map naar de QM pw91-lb ultrafijne directory en wijzigt u de directory naar QM/pw91-lb ultrafijn.

Voer de ultrafijne dichtheid functionele theorie script run-pw91-lb-ultrafijn. csh waarvoor uf een label is voor deze set berekeningen, Q is de voorkeurswachtrij op het computercluster en 10 geeft aan dat 10 berekeningen moeten worden gegroepeerd in één batchtaak. Dit script genereert automatisch de ingangen voor Gaussian 09 en verzendt alle berekeningen.

Zodra de ingediende berekeningen zijn voltooid, gebruik maken van de getRotConsts-dft-lb-ultrafijn. csh-opdracht om de rotatieconstanten van de ultrafijne geoptimaliseerde clusters te berekenen. Hier is pw91 de dichtheid functionele gebruikt en n is het aantal atomen in het cluster.

Gebruik de gelijkenisAnalyse. py script zoals voorheen nu met uf als het label te genereren en op te slaan een lijst van unieke configuraties geoptimaliseerd om ultrafijne convergentie criteria op de pw91 6311 plus plus G ster ster theorie niveau in de uniekeStructures-uf. gegevensbestand.

Voer dan de run-thermo-pw91 uit. csh script met uniekeStructures-uf. gegevensbestand als input voor het berekenen van de thermodynamische correcties.

Kopieer en plak de opdrachtregeluitvoer naar de bijgevoegde spreadsheet gly-h2o-n.xls. Aangezien de ruwe energieën van deze berekening en de daaropvolgende n gelijk zijn aan twee, drie, vier en vijf berekeningen worden toegevoegd aan het eerste blad van de gly-h2o-n. xls spredsheet, de hydrate-verdelingsplaat die de evenwichtsconcentratie van hydraten bij verschillende temperaturen, relatieve vochtigheid en initiële concentraties water en glycine oplevert, zal worden bijgewerkt.

Hier kunnen de laagste elektronische energie-isomeren van glycine-waterclusters worden waargenomen. Merk op hoe de waterstof binding netwerk groeit in complexiteit als het aantal watermoleculen toeneemt de overgang van een meestal vlakke netwerk naar een drie-dimensionale kooi-achtige structuur op n gelijk aan vijf. In deze tabel een voorbeeld van de output van de run-thermo-pw91.

csh script wordt getoond. Voor elke cluster komt de energie van de pw91 6311 plus plus G-sterster overeen met de elektronische gasfase-energieën op de pw91 6311 plus plus het G-sterniveau van de theorie berekend op ultrafijne integratierasters in eenheden van hartreen en de zero point vibrationele energie in eenheden van kilocalorie per mol. Bij elke temperatuur wordt de berekende enthalpy formatie delta H in een Gibbs-vrije energie-vorming delta G gegeven in eenheden van kilocalorieën per mol en de berekende enthalpy formatie S wordt gegeven in eenheden calorieën per mol.

In deze tabel worden representatieve berekeningen getoond van de totale Gibbs-vrije energieverandering van hydratatie en van de sequentiële hydratatie. Aan de hand van deze gegevens kunnen de atmosferische concentraties gehydrateerde glycine worden berekend. Men moet de juiste software installeren en de meegeleverde scripts toevoegen om de eigen computeromgeving weer te geven.

Het toevoegen van de locatie van de scripts aan iemands pad is van cruciaal belang. Deze techniek werd gebruikt om de katalytische activiteit van atmosferische waterclusters te bepalen naar peptidebindingsvorming om bij te dragen aan het gebied van prebiotische chemie.