Использование программного пакета ChemCraft для моделирования и визуализации структуры и свойств молекулярных систем. Методические указания

Optimization steps – информация о геометрии молекулы на каждом шаге оптимизации с данными о значении полной энергии системы на этом шаге; Frequencies – информация о нормальных колебаниях молекулы; Single point – данные, полученные при расчете единственной точки оптимизации. Их рис. 8 видно, что в открытом файле находится информация о пяти шагах оптимизации структуры. На рис. 8 в режиме Image отражена структура, полученная на втором шаге оптимизации, которой соответствует значение полной энергии E=-56,5575160. Согласно данным списка группы Frequencies, в молекуле аммиака существует шесть нормальных колебаний, значения частот которых представлены здесь же. Визуализировать эти частоты также можно благодаря программе ChemCraft, как и другие свойства молекулы, полученные в результате расчета. Рассмотрим эти возможности подробнее.

РАБОТА С ЧАСТОТАМИ

ChemCraft позволяет визуализировать и анализировать частоты нормальных колебаний молекулярной структуры, конечно же, если данные о них содержатся в открытом программой файле. При открытии подобного файла в левой части окна все частоты будут находиться в виде списка в группе Frequencies (рис. 8). Частоты отображаются в порядке возрастания их значения в обратных сантиметрах. В скобках приведено отнесение колебания к неприводимому представлению точечной группы симметрии. Щелчок левой кнопкой мыши по нужной частоте приведет к визуализации выбранного колебания на экране, что крайне удобно для его анализа.

После выбора конкретной частоты нормального колебания в левом нижнем углу окна будут приведены кнопки, позволяющие настроить отображение колебаний наилучшим для пользователя способом (рис. 9). Так, опция Scale displacement позволяет задать масштабирующий множитель амплитуды смещения атомов во время колебания. В выпадающем списке параметра Cycle time можно выбрать период колебания, чтобы отрегулировать скорость отображения колебания на экране. Функция Freeze/Restore позволяет приостановить или

31

(ось X) (рис. 10). Помимо этого окно содержит различные способы редактирования отображаемого спектра. Рассмотрим их функции.

Установка галочки возле надписи Broaden lines позволяет выбрать из активизировавшего списка один из двух способов уширения спектральных линий: лоренцево или лоплеровское уширение. Подобное размывание линейчатого спектра облегчает сравнение спектра, построенного на основе расчетных данных, с полученным экспериментально. Кнопка Interpolation coordinates позволяет настроить X координаты расчетного контура уширенных линий. Значения по размыванию контура могут быть отображены, а также экспортированы в другое приложение при помощи кнопки Export values. Установка галочки напротив Hide verticals скрывает вертикальные линии линейчатого спектра. Опция Scale curve дает возможность установить масштаб кривой. Передвигая бегунок под надписью Band width on ½ height, можно установить параметр размывания спектра: чем больше выбранное значение, тем сильнее будет размывание спектра.

Установка галочки напротив Show marks с выбором в выпадающем списке значения X values приведет к отображению на спектре текстовой информации о значениях наиболее

Рис. 10. Окно спектра нормальных колебаний

33

значимых частот нормального колебания. В случае выбора Y values на ИК-спектре будет отображена текстовая информация об интенсивности колебаний, а использование Numbers приведет к появлению на экране порядковых номеров частот нормальных колебаний.

Функция Show peaks становится доступной лишь при использовании какого-либо из способов уширения спектра. При этом метки о значениях частот для полученных пиков ИКспектра и их интенсивностей будут отображаться с учетом заданных значений масштаба кривой, степени размывания спектра, а также масштабирующего коэффрицента.

В открывающемся после нажатия Set custom frame окне можно задавать нижние и верхние границы диапазона показываемых осей X и Y (то есть максимальное и минимальное значение отображаемых частот и интенсивности) в зависимости от целей создания спектра. Нажатие приведет к возвращению масштаба отображения спектра на максимально возможный. Далее в скобках отображаются координаты курсора мыши при перемещении его по спектру, что удобно для определения значения частоты того или иного пика. После нажатия клавиши Style пользователю будет предоставлена возможность в новом окне задать новый стиль отображения спектра. Здесь можно выбрать цвет фона, текст и цвет заголовка спектра и осей графика, выбирать цвета и толщину линий, меток. Кнопка Copy picture позволит сохранить изображение ИК спектра в буфер обмена, после чего его можно вставить, например, в документ

Microsoft Word.

В правой верхней части для удобства отображены в виде списка все частоты в возрастающем порядке и их интенсивность. Эти частоты можно копировать кнопкой Copy. Благодаря кнопке Import values возможно импортировать частоты, для которых требуется построить ИК спектр из других источников. Галочка напротив надписи Show numbers позволит отобразить порядковый номер частоты нормального колебания в списке. Следующие опции Scale X и Scale Y являются крайне необходимыми для задания значения масштабирующего множителя по осям X и Y соответственно. Из-за особенностей расчетной схемы частот нормальных колебаний получаемые значения частот оказываются сдвинутыми по сравнению с

34

экспериментальными значениями. Этот сдвиг носит линейный характер и зависит только от метода квантово-химического расчета и базисного набора. Для многих сочетаний метод/базис этот масштабирующих коэффициент известен и может быть найден в литературе. В отсутствие этих данных он может быть получен, например, методом наименьших квадратов при сопоставлении расчетных и экспериментальных данных систем, для которых заранее известен надежный спектр колебаний. При введении масштабирующего коэффициента и нажатия клавиши ОК пересчитываются все значения частот и сдвигается весь спектр по выбранной оси. При этом отраженные в списке значения частот (или их интенсивность) также изменяются. Закрытие окна осуществляется кнопкой Close.

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОРБИТАЛЕЙ

Еще одной удобной функцией ChemCraft является возможность визуализации в виде изоповерхностей молекулярных орбиталей на основе таблицы коэффициентов молекулярных орбиталей расчетного файла. Получить изображение молекулярных орбиталей можно двумя способами. В первом случае следует выбрать опцию визуализации непосредственно через подпункт меню Tools: Tools/Orbitals/Render molecular orbitals. Во втором – в списке слева выбрать щелчком мыши геометрию молекулярной структуры, для которой в файле приводятся орбитали, а затем, нажав кнопку Tools внизу окна, выбрать опцию Render molecular orbitals.

Впоявившемся окне Molecular orbitals to render (рис. 11)

следует отметить галочками требуемые орбитали. Для удобства в правом верхнем углу окна расположены клавиши , и . Нажатие позволяет выделить все имеющиеся орбитали, клавиша отменит выделение всех орбиталей, а использование приведет к «инверсии» выбора (отмена выделения уже выделенных орбиталей и выбор вместо них неотмеченных ранее).

Вэтом же окне выбираются параметры построения куба (трехмерные сетки значений орбитальной плотности) для выбранных орбиталей. Область Cube density and size (плотность и размер куба) позволяет варьировать значение Map points per

35

то текстовое поле Map other позволяет окрашивать изоповерхность текущего куба цветами другого куба. Нажатие кнопки Show mapped spheres позволяет отобразить вокруг каждого атома сферы, окрашенными цветами текущего куба, при этом размеры сфер пропорциональны значениям Ван-дер- ваальсовых радиусов. Функция Scale масштабирует размеры отображаемых на экране сфер. Команда Show mapped plane строит плоскость, раскрашенную в цвета от синего до красного, в зависимости от значения орбитальной плотности в ее точках, в соответствии с цветовыми границами, указанными в текстовых окнах Values range. Plane position позволяет в открывающемся окне изменить положение и ориентацию «карточной» плоскости. Values range позволяет задать интервал цветовой схемы от синего до красного, в рамках которой будут окрашены точки изоповерхностей, а также «картовые» сферы и плоскости. Опция Keep this surface сохраняет текущую изоповерхность, вследствие чего можно визуализировать еще одну изоповерхность в то же время, так как сохраненные параметры изоповерхности не могут быть изменены. Clear all позволяет удалить все сохраненные изоповерхности. Кнопки Keep this surface и Delete all позволяют получить рисунок с несколькими изоповерхностями. Если нажата клавиша Hide atoms, то все связи и атомы будут скрыты. Эта функция удобна для более ясного понимания вида молекулярных орбиталей. Кнопка Load atoms from file доступна в тех случаях, когда в файле куба нет атомных координат. Эта кнопка позволяет считывать атомы из указанного файла для текущего куба. Использование Add cube открывает другой файл куба и добавляет его данные в список текущего куба, что позволяет сравнить различные кубы или оперировать ими. Кнопка Operations позволяет производить различные операции с доступными кубами. Результат операции будет отображаться в виде дополнительного куба в списке. Стоит отметить, что ChemcCraft позволять проводить операции лишь с кубами одинакового размера и координат.

СОЗДАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Очень часто при написании статей, составлении презентаций и т.д. требуется создать высококачественный рисунок

38

изображения. Сохранение рисунка с прозрачным фоном возможно при выборе опции Transparent background, которая доступна при сохранении в формате Gif. Далее можно указать размеры сохраняемого изображения в пикселях. Данная функция особенно важна при подготовке изображений для полиграфии, где минимальное требуемое разрешение изображений составляет, как правило, 300 точек на дюйм (~2.54 см). Таким образом, для печати изображения, например, шириной 4 дюйма (~10,16 см), сохраняемое изображение по ширине должно содержать не менее 1200 пикселей. После нажатия кнопки Save следует выбрать место расположения сохраняемого файла и указать его имя.

Второй способ – это скопировать изображение в буфер обмена (меню Edit/Copy page или кнопка ) и затем вставить его, например, в документ Word. Следует отметить, что в данном случае изображение берётся «как есть», и его качеством и параметрами управлять невозможно.

Для ясности понимания изображения, геометрических характеристик молекулы и т.д. вид отображаемой на экране структуры можно изменять, добавлять дополнительные надписи с информацией о длине связи, типе химического элемента атома и т.д. Рассмотрим наиболее часто используемые для модификации изображения пункты меню и функции.

Меню Display позволяет выбрать графическую схему, в которой отображается текущая структура. Список доступных схем зависит от версии программы, а также от вносимых пользователем изменений в нее. Среди стандартных существуют схемы отображения молекулы в виде проволочной (Sticks), шаростержневой (Standart, Simple, Publication и т.п.) или шаровой (Big atoms) моделях. Схемы могут быть как цветными, так и черно-белыми, выбор зависит лишь от целей дальнейшего использования изображения. Например, для подготовки публикаций крайне удобны схемы Publication1 и Publication2, для создания красочных презентаций больше подойдут цветные схемы. Напомним, что в ChemCraft с помощью пункта Display/Customize можно не только создавать новые схемы, но редактировать существующие. Среди изменяемых параметров схемы: цвета атомов, межатомных связей, фона; параметры меток атомов и геометрических параметров молекул; параметры освещения и тени и т.д.

40