本帖最后由 coolrainbow 于 2017-6-2 12:05 编辑
1 简介
ABCluster是一个对原子和分子团簇进行全局优化的软件，它免费高效且功能十分强大，可以在http://www.zhjun-sci.com/software-abcluster-download.php得到。软件下载即可使用，在Windows，Linux和MacOSX平台都可以使用。在处理电子定域性比较好的团簇时，用ABCluster自带的CHARMM力场就可以很完美的进行搜索，实际上软件已在多个领域得到了应用（见http://www.zhjun-sci.com/software-abcluster-stories.php）。对于电子离域性极高的体系，或者没有力场的情况下，就需要直接使用量子化学的方法进行搜索。ABCluster合作最好的软件是Gaussian，但是Gaussian软件价格昂贵，并非每一个人都有，而且Gaussian最擅长的是DFT，这个方法在很多情况下还是很昂贵的。有没有一个即免费又快速，精度还高的方法呢？当然可以用MOPAC，但是虽然免费，还是略显老了一些。
幸运的是，德国的Grimme教授推出了一个新的半经验方法，叫做GFN-xTB。这个方法的软件是免费的，并且性价比相当高。配合ABCluster，几乎可以搜索所有种类的化学团簇。本文就将介绍一下如何用ABCluster和xBT来进行团簇的全局优化。
2 GFN-xTB
GFN-xTB是由德国的Grimme教授在2017年推出的一个半经验量子化学方法(http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jctc.7b00118)，这个方法经过了大量测试，据称精度超过了PM6-D3H4X，DFTB等。虽然绝对精度肯定不能和精确从头算相比，但是据作者称，其几何结构十分准确。这个方法的软件是免费的，并且是黑箱式软件，极其好用，甚至可以加上溶剂效应。因此，这个方法十分适用于对复杂体系的初步研究。而且，由Grimme这个金字招牌做保证，方法总不会太差的~
获取方法：向xtb@thch.uni-bonn.de发信请求软件，几天之后就可以收到一个压缩包叫做xtb_exe.tgz，解压后有三个可见的文件：HOWTO，REVISION和主要程序xtb。另外还有一些隐藏文件如.param, .param_gbsa_h2o等。这些隐藏文件最好放在$HOME下，而HOWTO，REVISION，xtb可以放在任意位置，只要$PATH找得到它们即可。
3 ABCluster
ABCluster的用法可以参见http://www.zhjun-sci.com/software-abcluster-download.php上面列的手册和教程，这里不再赘述，下面我们只以两个例子为例，一步步的列出如何用xtb和ABCluster搜索团簇。
4 例子： Cu4O4
铜氧化合物在理论上是一类非常重要的对象。这里我们想知道Cu4O4分子的结构可能是什么样的。
这个任务十分容易，只要用isomer就可以解决，只要一个输入文件：cu4o4.inp：
===cu4o4.inp==============================================
cu4o4 # Result file name
Cu 4 O 4 # Cluster file name
cube 4 3 3 # Structure types
100 # Maximal number of calculations
>>>>
cp $inp$ $xxx$.xyz
xtb $xxx$.xyz -opt > $xxx$.out
cp xtbopt.coord $out$
>>>>
======================================================
各行意义：
1 表示搜索到的结构保存到名为cu4o4的文件夹中；
2 表示团簇有4个Cu,4个O。
3 表示初始猜测为一个4x3x3的cube （具体可以参见手册）。
4 表示进行100次搜索。
5-9 搜索的命令。其中xtb $xxx$.xyz -opt > $xxx$.out 表示用xtb进行几何优化。
现在只要执行： nohup isomer cu4o4.inp > cu4o4.out &即可搜索。如果你有一个8核的电脑，估计10分钟就可以搜索完毕。打开cu4o4.out，在最后发现：
===cu4o4.out============================================
Reordered from low to high energy:
===============================================================
# Energy
===============================================================
14 -36.76946990
82 -36.76946979
19 -36.76946976
88 -36.76931569
13 -36.73478327
75 -36.72750181
38 -36.72639343
98 -36.71808476
97 -36.71808476
71 -36.71807786
.......
======================================================
可见，14号结构的能量最低，打开cu4o4-LM/14.xyz,发现结构是一个准平面结构。当然，为了更可靠的研究，建议把14，88，13等几个低能量的结构提取出来，再用精确的方法，如DFT，MP2，CCSD等进行进一步研究。
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5 例子： (H2O)5(CO)
这个例子用来演示如何用lego和xtb搜索分子团簇：(H2O)5(CO)。我们准备H2O和CO的两个文件：
=====co.xyz=============================================
2
CO
C 0 0 0
O 0 0 1.4
======================================================
=====h2o.xyz============================================
3
water
O 0.00000000 0.00000000 0.21451132
H 0.00000000 0.75695033 -0.37137096
H 0.00000000 -0.75695033 -0.37137096
======================================================
一个团簇组成文件：
====x.cluster=============================================
2
co.xyz 1
h2o.xyz 5
======================================================
最后就是inp输入文件：
====x.inp===============================================
x # Result file name
x.cluster # Cluster file name
cube 2.5 4 3 3 # Structure types
100 # Maximal number of calculations
>>>>
cp $inp$ $xxx$.xyz
xtb $xxx$.xyz -opt > $xxx$.out
cp xtbopt.coord $out$
>>>>
======================================================
运行：
nohup lego x.inp > x.out &
计算结束后查看一下：
====x.out===============================================
Reordered from low to high energy:
===============================================================
# Energy
===============================================================
84 -35.64396081
76 -35.64198381
89 -35.64171515
96 -35.64160573
57 -35.64142123
61 -35.64135894
39 -35.64097108
47 -35.64097031
...
======================================================
能量最低的团簇是x-LM/84.xyz，结构如下：
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6 总结
xtb是一个性价比很高的方法，速度很快，精度也可以接受。对于没有力场而量子力学又很贵的团簇，ABCluster+xtb是一个十分明智的选择。