III. Порядок работы с программным пакетом квантово-химических расчетов “ гауссиан”

3.1 Структура файла исходных данных

В этом и последующих разделах будет описан порядок составления исходных данных, анализ выходного файла расчетов, а также общие краткие сведения о работе с программным пакетом “Гауссиан” (далее просто Гауссиан) и некоторые полезные рекомендации.

Как и для большинства квантово-химических пакетов, задания Гауссиану формируются в виде входного файла специального формата. В качестве простейшего примера приведем файл исходных данных для расчета молекулы аммиака:

%mem=nMB (специальный раздел)

%chk=nh3.chk

# HF/3-21G Opt=Z-Matrix Freq (раздел директив)

NH3 HF/3-21G Opt and Freq (раздел комментариев)

0 1 (Спецификация молекулы)

X

N 1 2.0

H 2 nh 1 xnh

H 2 nh 1 xnh 3 120.0

H 2 nh 1 xnh 3 -120.0

Variables:

nh 1.0

xnh 110.0

в данном файле отсутствуют (дополнительные разделы)

Рассмотрим содержание этого файла.

Строки, начинающиеся с символа "%", составляют специальный раздел входного файла программы, который дает Гауссиану указания по использованию системных компьютерных ресурсов и размещению формирующихся файлов. Этот раздел обязательно должен находиться в начале входного файла, при этом каждая новая директива пишется с новой строки, а пропуски строк не допускаются. В некоторых случаях этот раздел можно опустить. Наиболее важными и часто используемыми в специальном разделе являются директивы:

%mem=nMB - указывает, что максимальное количество оперативной памяти, которую может использовать программа, составляет n мегабайт. Если эта директива не указана, то используется значение по умолчанию.

%chk=имя файла.chk - указывает на то, чтобы при работе программы был создан файл, который после завершения расчета будет храниться в специально предназначенном каталоге. В этом файле содержится важная информация о геометрии системы в процессе оптимизации, наборе волновых функций, частотах колебаний и т.д. Этот файл может быть использован, например, при прерывании и последующем возобновлении расчетов.

Строка, начинающаяся с символа "#", указывает на то, что начинается основной раздел входного файла - раздел директив расчета. После символа "#" ставится пробел, затем указываются все необходимые директивы. Если директивы не помещаются в одной строке, то для их записи можно использовать дополнительные строки. При этом необязательно начинать каждую следующую строку с символа "#". Признаком окончания раздела директив является пустая строка.

Обычно в начале раздела директив указывается комбинация метод расчета/базисный набор. В приведенном примере в качестве метода расчета выбран метод Хартри-Фока (HF), а в качестве базисного набора - стандартный базис 3-21G. Вместо встроенного базисного набора можно указать директиву Gen, которая будет указывать программе, что информацию о базисных наборах атомов необходимо прочитать из дополнительного раздела входного файла (см. ниже).

Далее перечисляются остальные директивы, уточняющие тип расчета, при этом порядок их следования значения не имеет. Директивы в общем случае имеют следующий вид: Директива=(параметр1, параметр2, ...), при этом параметров может и не быть (тогда используются параметры по умолчанию), а если задается только один параметр, то скобки можно не ставить. Директивы разделяются между собой одним или несколькими символами «пробел».

В нашем случае следующей директивой является Opt, которая указывает на необходимость проведения оптимизации геометрии рассматриваемой системы. При этом у директивы Opt есть один параметр - Z-Matrix, который указывает, что оптимизация будет проводиться с использованием переменных Z-матрицы. Подробнее о способах составлении Z-матрицы можно прочитать в разделе 3.3. Если указана только директива Opt без параметра Z-Matrix, то в ходе расчета будет проводиться полная оптимизация геометрии независимо от того, указаны в Z-матрице переменные или нет.

Далее в нашем примере идет директива Freq, которая указывает, что после завершения оптимизации геометрии молекулы необходимо рассчитать частоты колебаний и термодинамические характеристики. Данная директива здесь указана без параметров.

Как уже упоминалось, завершением раздела директив расчета является пустая строка, после которой следует раздел комментариев. Здесь можно записать любые текстовые комментарии к расчету, при этом ни длина строки, ни количество строк не ограничены. Признаком завершения раздела комментариев является пустая строка.

Следующим разделом является раздел спецификации молекулы, в первой строке которого указываются заряд и мультиплетность рассматриваемой системы (молекулы, иона или радикала). При этом положительный заряд записывается целым числом (знак плюс можно не указывать), а отрицательный - целым числом со знаком минус, например, -2. В приведенном примере молекула аммиака имеет нулевой заряд и мультиплетность, равную 1 (нет неспаренных электронов). Заряд и мультиплетность должны разделяться одним или несколькими пробелами.

Далее в разделе спецификации молекулы задается исходная геометрия молекулы. В качестве таковой можно использовать либо известную экспериментальную геометрию, либо какую-либо предполагаемую начальную геометрию. Геометрия молекулы может быть задана тремя способами: c помощью внутренних координат атомов, декартовых координат и комбинированным способом (см. раздел 3.3.3).

Следует заметить, что единицами измерения, принятыми по умолчанию, являются ангстремы (10^-10 м) для расстояний и градусы для углов. Единицей измерения в случае использования декартовых координат также остается ангстрем. Эти же единицы используются в выходных файлах.

После раздела спецификации молекулы следуют дополнительные разделы, которые отделяются от предыдущего раздела или разделяются между собой пустой строкой. Из них самыми важными являются разделы определения базисных наборов и раздел определения параметров для процедуры самосогласованного реактивного поля. Порядок составления дополнительных разделов файла исходных данных будет описан в одном из последующих параграфов.