No title

Постановка задачи

Таким образом, опираясь на перечисленные типы, определенные в программе Cartesius, сразу можно понять каким образом должна работать новая программа. При считывании входного потока пользователя должен создаваться объект типа molecule. Для этого, кроме уже имеющихся в программе, необходимо дописать функции чтения входного потока для каждой программы в системе Netlab, а именно: BF, BFSCF, ECF 2.5, Molcryst 1.0.

Входной поток программы BF

Программа BF, а точнее BF-2002, разработана и написана в ЛКХСФ (авторы А. М. Токмачев и А. Л. Чугреев) для полуэмпирических кванто-вохимических расчетов молекулярных электронных структур с хорошо определенными двухэлектронными двухцентровыми связями. Детальная информация по методу может быть найдена в статьях.

Входной поток для программы составляют два файла: входной файл с общим описанием задачи и файл с нестандартными параметрами для расчета.

Первая строка входного файла включает все необходимые ключевые слова для программы. Регистр не важен.

Во второй строке приводится краткое описание расчитываемого объекта.

Третью строку составляют два целых числа - число атомов и число электронных пар (связи, неподеленные пары и т.п.).

После этого должен быть описан каждый атом - по одному атому на строку. Описание состоит из четырех полей: имя атома (допускаются только атомы с 1 по 17) либо его атомный номер и три координаты в ангстремах.

Далее описываются пары электроннов, составляющих систему - по одной на строке. В случае обычной химической связи описание состоит из двух целых чисел соответствующих номерам атом, образующих связь. Для неподеленной пары должен присутствовать ноль, соответсвующий отсутствию атома. Номера атомов определяются приведенным до этого списком.

Файл с нестандартными параметрами приводится в случае необходимости перепараметризации задачи. В первой строке файла должно стоять число изменяемых параметров. Далее идет список переопределенний - по одному параметру на строку. Для изменения параметра необходимо указать имя параметра, номер атома, которому соответсвует параметр (это в случае одноцентровых параметров, а для двухцентровых указываются соответственно два номера атомов) и, наконец, сама величина параметра.

Ниже приводится пример входного файла для расчета молекулы аммиака:

РМЗ WFP GOP

Ammonia

4 4

N 0.0000000 0.0000000 0.0000000

Н 0.9121196 0.0000000 -0.4383855

Н -0.4560598 0.7899188 -0.4383855

Н -0.4560598 -0.7899188 -0.4383855

1 2

1 3

1 4

1 0

Входной поток программы BFSCF

Описание программы основано на руководтве для пользователей системы Netlab (User's Manual), написанным аспирантом лаборатории КХСФ Дарховским М. Б.

Программа BFSCF была разработана и написана в ЛКХСФ для полуэмпирического расчета молекул по гибридной схеме BF/SCF (авторы А. М. Токмачев и А. Л. Чугреев).

Входной поток программы образован двумя входными файлами:

Входной файл

WFP GOP EXT

C_6H_6

12 13

6 0.0000000 0 .0000000 0 .0000000

6 0.6985000 1 .2098375 0 .0000000

6 0.6985000 -1.2098375 0.0000000

6 2.0955000 1 .2098375 0 .0000000

6 2.0955000 -1.2098375 0.0000000

6 2.7940000 0 .0000000 0 .0000000

1 -1.0840000 0 .0000000 0 .0000000

1 0.1565000 2 .1486090 0 .0000000

1 0.1565000 -2.1486090 0.0000000

1 2.6375000 2 .1486090 0 .0000000

1 2.6375000 -2.1486090 0.0000000

1 3.8780000 0 .0000000 0 .0000000

2 2 10

1 0.333333333 A 2

2 0.333333333 A 1

2 2 10

1 0.333333333 A 3

3 0.333333333 A 1

2 2 10

2 0.333333333 A 4

4 0.333333333 A 2

2 2 10

3 0.333333333 A 5

5 0.333333333 A 3

2 2 10

4 0.333333333 A 6

6 0.333333333 A 4

2 2 10

5 0.333333333 A 6

6 0.333333333 A 5

2 2 10

1 0.333333333 A 7

7 1.0

2 2 10

2 0.333333333 A 8

8 1.0

Файл внешних (нестандартных) параметров:

BETA PARAMETERS FOR BF/SCF-MNDQ MODEL

BESP 6 9.92

Во входном файле первой строкой задаются ключевые слова необходимые для расчета. Во второй строке идет описание молекулярной системы.

Третью строку образуют два целых числа - количество атомов в молекуле и количество групп электроннов, на которые пользователь разбивает электронную подсистему молекулярной системы (например, химические связи, свободные электронные пары, тг-система и т.д.)

После идет описание каждого атома в отдельности - по одному атому на строку. Описание состоит из двух частей: атомный номер в периодической системе и декартовы координаты (в ангстремах).

Далее должны быть описаны электронные группы. Каждое описание группы начинается с новой строки. Первая строка в описании группы состоит из четырех целых чисел: количество орбиталей, включенных в данную группу, количество электронов группы, ее мультиплетность и целочисленный спецификатор метода расчета группы (0 для SLG, 1 для RHF (или ROHF в случае открытых оболочек) и 2 для UHF). После этого описывается каждая базисная функция: по одной функции в строке. Каждая такая строка начинается с номера атома, которому принадлежит данная функция. Оставшаяся информация определяет затравочный для расчетов вид функции. Во второй позиции строки стоит затравочный вес s-функции. Если он равен 1,0, то на этом описание орбитали заканчивается. Если нет, то существует три возможности закончить описание путем задания ориентации р-орбитали: 1) тройка вещественных чисел, дающих (ненормализованный) вектор направления; 2) буква А следующая за порядковым номером атома, на который ориентирована данная орбиталь; 3) буква Р следующая за парой порядковых номеров атомов, которые тем самым образуют плоскость из трех атомов вместе с основным, для которой данная орбиталь должна быть перпендикуляром.

Когда описание электронных групп заканчивается, должна идти пустая строка. Для создания объекта типа molecule достаточно прочитать входной файл.

Входной поток программы ECF 2.5

Программа ECF 2.5 разработана и написана в ЛКХСФ для расчета комплексных соединений, комплексообразователем в которых является атом первого перходного ряда (V, Cr, Mn, Fe, Co или Ni), степень окисления которого 2+ или 3+. Основным методом для расчетов в данной программе является метод эффективного гамильтониана кристаллического поля (ЭГКП).

Входным потоком для программы являются два файла с расширениями стр и ext. Пример входного файла, имеющего расширение стр, приведен ниже:

CNDO DIFFERENT DBURNS EXTERNAL RESINT LCAO PAROUT CTSALL RACAH CIMATO

***************

FE(H20)6+++

3 5 3

FE 3 0.000 0.000 0.000

0 0 1.9862 0.000 0.000

0 0 0.000 1.9862 0.000

0 0 -1.9862 0.000 0.000

0 0 0.000 -1.9862 0.000

0 0 0.000 0.000 1.9862

0 0 0.000 0.000 -1.9862

н 0 2.2528 0.000 0.7818

н 0 2.2528 0.000 -0.7818

н 0 0.7818 2.2528 0.000

н 0 -0.7818 2.2528 0.000

н 0 -2.2528 0.000 0.7818

н 0 -2.2528 0.000 -0.7818

н 0 0.7818 -2.2528 0.000

н 0 -0.7818 -2.2528 0.000

н 0 0.000 0.7818 2.2528

н 0 0.000 -0.7818 2.2528

н 0 0.000 0.7818 -2.2528

н 0 0.000 -0.7818 -2.2528

'ОН' файл с расширением ext:

***Fe-aq ***** FE UDD -101.92 0 BETA 1.484 FE В 1010 FE С 4040

В первом входном файле первая строка - набор ключей-инструкций для программы. С их помощью пользователь задает способ расчета данной молекулярной системы. Далее идут строки заголовка задачи и ее описания. Строка с тремя цифрами задает степень окисления, количество d-электронов металла и формальный заряд молекулы, соответственно. После этого идет список, каждая строка которого включает в себя символ атома, количество нестандартных орбиталей (требующих отдельной параметризации) для данного атома и его декартовы координаты (в ангстремах). Файл заканчивается строкой, описывающей симметрию молекулярной системы.

Во втором файле пользователь приводит список параметров метода ЭГКП, которые он хочет использовать вместо стандартных (вшитых в текст программы).

Для создания объекта типа molecule достаточно прочитать первый входной файл. Для хранения и обработки параметров расчета (ключей-инструкций, нестандартных параметров и т.д.) требуется создание отдельного типа, что пока в процессе реализации.

Входной поток программы Molcryst 1.0

Программа написана А. М. Токмачевым и А. Л. Чугреевым на основе программы CALCEN (автор А. Л. Чугреев) для вычислений структурных параметров молекулярных кристаллов с применением схемы атом-атомных потенциалов и динамики решетки в квазигармоническом приближении. Пример входного файла приведен ниже:

Naphtalin

7.96 0 5 .96 0 8.62 0 90. 0 0 123.5 0 90.0 0

1 2

1 1 1

110 0

0. 0. 0. 1

.0000 .6950 .0000 6 12.0000

1.2041 1.3899 .0000 6 12.0000

2.4080 .6948 .0000 6 12.0000

-1.2039 1.3900 .0000 6 12.0000

-2.4080 .6951 .0000 6 12.0000

.0000 -.6950 .0000 6 12.0000

1.2039 -1.3901 .0000 6 12.0000

2.4080 -.6952 .0000 6 12.0000

-1.2041 -1.3900 .0000 6 12.0000

-2.4080 -.6949 .0000 6 12.0000

1.2042 2.4699 .0000 1 1 .0000

3.3431 1.2347 .0000 1 1 .0000

-1.2038 2.4700 .0000 1 1 .0000

-3.3429 1.2302 .0000 1 1 .0000

1.2038 -2.4701 .0000 1 1 .0000

3.3429 -1.2303 .0000 1 1 .0000

-1.2042 -2.4700 .0000 1 1 .0000

-3.3431 -1.2298 .0000 1 1 .0000

1 64.92 0 -64.99 0 75. 05 0 0.0 0 0.0 0 0.0 0

1 -64.55 0 114.87 0 74. 68 0 0.5 0 0.5 0 0.0 0

0.0

Первая строка входного файла - описание задачи.

Во второй строке указываются три периода решетки и три угла в элементарной ячейке. Рядом с каждым параметром стоит флаг оптимизации по данному параметру: 0 - не оптимизировать, 1 - проводить оптимизацию.

Третья строка - число формульных единиц на ячейку.

В следующей строке идут число типов молекул (химически разных) и число симметрийно независимых молекул (не переходящих друг в друга какими-либо операциями симметрии).

В пятой строке - тройка чисел, указывающих на количество элементарных ячеек, по которым нужно проводить суммирование в каждом из направлений.

Далее идет строка с флагом потенциала, с которым нужно проводить расчет (0 - потенциал Букингема, 1 - потенциал 6-12 или леннард-джонсовский потенциал); число точек, в которых нужно проводить расчет фононного спектра; число температур, при которых программа вычисляет колебательный вклад в энергию Гельмгольца; число направлений для расчета скоростей звука в данном кристалле по этим направлениям. Далнейший ввод определяется этой строкой.

Если число точек для фононного спектра не нулевое, то далее вводятся их координаты в обратной решетке и флаги вывода собственных векторов по нормальным колебаниям (0 - не выводить, 1 - выводить).

Далее, если число температур не нулевое, то в каждой строке пишется температура (в К) и после ставится число N точек в каждом из направлений, которые вместе определяют число точек сканирования в обратном пространстве (порядок N3).

Следующий ввод нужен, если ненулевое число направлений для скоростей звука в кристалле. Для этого в каждой строке пишется тройка чисел, соответсвующих векторам направлений (по одной на строку). Дальше ввод определяется числом типов и числом симметрийно независимых молекул.

Следующая строка - число атомов в данном типе молекулы. После идет список, каждая строка которого состоит из пяти полей: тройка декартовых координат (в ангстремах) для атома, заряд его ядра и атомный вес.

Дальше идет список для симметрийно независимых молекул в элементарной ячейке. Для каждой пишется ее тип (порядковый номер, который определяется по вводу геометрии для молекул), три эйлеровых угла вращения и три сдвига (в долях периодов элементарной ячейки), определяющих положение центра масс молекулы. Рядом с каждым числом (кроме типа) ставится флаг оптимизации (0 - не оптимизировать, 1 - если наоборот).

После этого списком определяются все симметрийно зависимые молекулы. В каждой строке пишется число независимых молекул, от которых зависит данная молекула, отношение между эйлеровыми углами для зависимой и независимой молекул и относительный сдвиг центра масс молекулы.

Файл ввода завершает давление в кбар, при котором должен быть проведен расчет.

При рассмотрении данного типа входных файлов возникает проблема конструирования молекулярной системы, состоящей из нескольких типов молекул и кроме того имеющих определенные симметрийные параметры. Для описания нескольких типов, видимо, достаточно для системы определить вектор из объектов типа molecule. Кроме того это описание дополняется таким понятием как фрагмент (fragment). Этим понятием описывается система, состоящая из нескольких , определенных пользователем, частей, которые и будут являться фрагментами. Они могут быть "жесткими", то есть при любых динамических изменениях системы (кристаллической решетки в случае Molcryst) данный фрагмент будет внутренне не изменным, но может при этом как-то транслироваться и вращаться (например, при колебаниях решетки), а могут быть "мягкими", то есть быть внутренне изменяемыми, что нужно, например, для молекулярно-динамических расчетов. Описание фрагментов легко дополняется симметрийными параметрами.

Таким образом, для корректного описания системы нужно вводить некоторый мета-тип над типом молекула, который будет определяться вектором объектов типа молекула (molecule) и вектором объектов типа фрагмент (fragment). Квантово-химическая часть описания будет определяться типом molecule (электронная структура системы), а механическая (наборы атомов без определения электронной структуры) - типом fragment.