Исследование термодинамических функций малоразмерных наночастиц при использовании квантово-химических методов
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
тем с открытыми электронными оболочками ROHF, обобщенного метода валентных связей GVB и многоконфигурационного самосогласованного поля MCSCF;
. Расчет энергии системы при заданной конфигурации, поиск ее градиента и вторых производных
. Учет энергии электронной корреляции на основе теории возмущений, конфигурационного взаимодействия MP2, связанных кластеров и функционала плотности DFT;
. Возможность выполнения полуэмпирических расчетов методами MNDO, AM1 и PM3;
. Автоматическая оптимизация геометрии, поиск переходных состояний с использованием аналитических градиентов;
. Исследование седловых точек поверхности потенциальной энергии.
. Вычисление нормальных колебательных частот и интенсивности инфракрасных (IR) спектров.
. Определение пути прохождения реакции при помощи расчета внутренней координаты реакции
. Вычисление молекулярных свойств, таких как дипольный момент, электростатический потенциал, электронная и спиновая плотность и т. д.
Таким образом, основные функции различных программных пакетов схожи, однако их реализации в различных программах могут отличаться.
4. Описание программных средств
В рамках данной работы квантово-химические расчеты были проведены в программном комплексе PC GAMESS/Firefly v.7.1G. [10] Данный пакет разработан группой во главе с Александром Грановским на химическом факультете МГУ на базе пакета программ GAMESS (US). Автором было переписано 60-70 % программ. Наибольшие изменения коснулись платформозависимых частей программы (выделение памяти, дисковый ввод-вывод, параллельный запуск), математических функций (например, матричные операции) и квантовохимических методов (метод Хартри-Фока, теория Мёллера-Плессе, теория функционала плотности).
Данный программный продукт не имеет пользовательского интерфейса и работает в режиме командной строки. Все исходные данные задаются в соответствующем входном текстовом файле.
Пример входного файла для расчета оптимизированной структуры кластера Al13: $CONTRL SCFTYP=ROHF RUNTYP=OPTIMIZE MAXIT=300 MULT=2 $END $SYSTEM TIMLIM=525600 MEMORY=1000000 $END $BASIS GBASIS=N21 NGAUSS=3 $END $SCF DIRSCF=.TRUE. $END $STATPT OPTTOL=0.0001 NSTEP=20 $END $DATA cluster 13.0 -0.276366065695649 0.0625902070045782-0.198625995009080 13.0 -1.799785927680020.8592809689823882.33388869786128 13.0 -1.09517338991369-2.104450891839152.03560131424229 13.0 -1.06653343961383-0.6384881494123644.90063505647716 13.0 -4.746546536881411.608062425693311.98021341642658 13.0 -3.36954645295062-0.716006321810898 0.230681509766823 13.0 -2.533038378003082.35704968833590 -0.232858068084099 13.0 1.146974699271960.1104991524857222.68756361366965 13.0 -3.85789715037053-1.149296188911163.38219852358965 13.0 -2.504398066716423.823012492420382.63217575168369 13.0 -0.2300250151093942.434567985662014.43709548646525 13.0 0.2583253716037612.867857706686111.28557844379604
Al 13.0 -3.323205899009431.655971664627484.86640372345958 $END
Входной файл должен содержать вид расчета, метод расчета, мультиплетность исследуемого соединения (группа $CONTRL); системные параметры, такие как максимальное время счета и выделяемый объем памяти (группа $SYSTEM); сведения о выбранном базисном наборе (группа $BASIS); группу симметрии (с1); а также структуру исследуемого соединения с указанием ее заряда и координат образующих ее атомов.
5. Расчет характеристик металлических кластеров
Расчет характеристик кластера Al13 произведен ограниченным методом Хартри-Фока для систем с открытыми электронными оболочками (ROHF) с использованием базисных наборов STO-3G, 3-N21, 6-N31, DZV.
STO-3G один из простейших базисных наборов представленных в PC GAMESS. В данном базисе осуществляется представление атомных орбиталей слетеровского типа (STO) в виде комбинации трех гауссовых функций.
Валентно-расщепленные базисные наборы 3-N21 и 6-N31 представляют атомные орбитали валентных электронов в виде двух валентных функций одинаковой симметрии. Одна из них является более сжатой, другая - размытой, диффузной. Такое представление атомных орбиталей обеспечивает большую гибкость базисного набора в зависимости от химического окружения атомов, на которых локализованы данные валентные электроны, и обеспечивает увеличение точности расчетов.
Дальнейшее увеличение базисных наборов позволяет учитывать поляризацию соединений, заряд ионов, коррелированное движение электронов, однако при этом сильно возрастает объем вычислений, что требует использования больших вычислительных ресурсов.
Структура и запас энергии.
Поскольку точные данные о строении кластеров отсутствуют, необходимо произвести оптимизацию структуры наночастицы, а затем рассчитать полную энергию, соответствующую данной геометрии. Для решения задачи нахождения оптимальной геометрии соединения необходим выбор начального приближения (структуры соединения). В общем случае начальная структура соответствует неустойчивой конфигурации молекулы. В данной работе в качестве начального приближения, задаваемого в исходном файле, были использованы координаты атомов в составе кластера, полученные при помощи аппарата нанотермодинамики.
Все программы расчетов по методу самосогласованного поля используют одинаковые подходы для поиска волновой функции оптимизированной молекулы, поскольку решение этой задачи требует проведение двух обязательных процедур. Одна из этих процедур состоит в нахождении наилучшей волновой функции для фиксированного набора геометрических параметров молекулы. Для этого осуществляется процедура самосогласования поля. Волновые функции молекулярных орбиталей, входящие в выражения для полной энергии молекулы, представляют собой линейные комбинации атомных орбиталей, каждая из которых умножена на неизвестный коэффициент разложения. Процедура самосогласования как раз и заключается в поиске этих коэффициентов и нахождении полно?/p>