آموزش شیمی محاسباتی

شیمی محاسباتی دکتر آرمین الله وردی

آموزش شیمی محاسباتی

شیمی محاسباتی شاخه‌ای از دانش شیمی است که از روش‌های ریاضی و مفاهیم فیزیکی برای توجیه و تفسیر پدیده‌ای شیمی استفاده می‌کند. هدف اصلی در این رشته بدست آوردن ساختارهای بهینه، خواص شیمی فیزیکی و واکنش‌پذیری ترکیبات شیمیایی با استفاده از روش‌های نظری است. محاسبات با روش‌های آغازین و روش‌های مبتنی برا اطلاعات آزمایش‌های تجربی است. محاسبات در این رشته علمی به کمک رایانه انجام پذیر است. از این رشته به‌گستردگی در تمامی شاخه‌های شیمی، بیو شیمی و داروسازی استفاده می‌شود.

دوره شیمی محاسباتی به مسائل مختلف در این حوزه می‌پردازد. امید است کاربران پزشک آموز پس از گذراندن این دوره، بتوانند بخش اعظمی از نیازهای خود را برآورد نمایند.

این دوره برای چه کسانی مفید است:

برای دیدن ویدیو های بیشتر میتوانید به صفحه فیلم های آموزشی پزشک آموز سربزنید.

دوره آموزشی غیرحضوری «آشنایی با شیمی محاسباتی و نرم‏‌افزارهای گوسین، گوس‌‏ویو و هایپرکم» با تدریس سرکار خانم دکتر پرهیزکار از تاریخ ۱۵ مهرماه در اختیار کاربران قرار می‌گیرد؛ این دوره شامل ۴ ساعت و پنجاه دقیقه ویدیو آموزشی است.

– معرفی اجمالی شیمی محاسباتی

– نگاهی به روش‌‏های محاسباتی (روش‌‏های آغازین، روش‌‏های نیمه‏‌تجربی، روش‌‏های تابعیت چگالی الکترون، روش‌‏های مکانیک مولکولی، روش دینامیک مولکولی، روش مونت کارلو)

– آشنایی با مفاهیم اساسی شیمی محاسباتی

– معرفی و نحوه استفاده از نرم‌‏افزار گوس ویو (رسم ساختار، بررسی و تغییر ویژگی‌‏های ساختاری مانند طول پیوند، زاویه پیوندی، زاویه دووجهی و گروه نقطه‌‏ای، لایه‌‏بندی مولکول، تنظیمات لازم و ایجاد فایل ورودی برای انجام محاسبه توسط نرم‏‌افزار گوسین، تهیه عکس و فیلم از پروژه در حال انجام و …)

– معرفی و نحوه استفاده از نرم‏‌افزار هایپرکم (رسم ساختار، ساخت مدل، تغییر صورت‌بندی‌‏های مولکول، انجام محاسبات، بررسی پایگاه اطلاعاتی، نحوه ذخیره فایل)

– معرفی، روش‏‌های محاسباتی و نحوه استفاده از نرم‌‏افزار گوسین (بررسی دستورات پیش از آغاز فرآیند محاسبه، بهینه‌‏سازی مولکول، به دست آوردن فرکانس و تحلیل داده‏‌های فرکانس، مشاهده ارتعاشات هر فرکانس، مشاهده طیف‌‏های مولکول، بررسی داده‏‌های ترموشیمی، به دست آوردن حجم مولی)

– کاربرد عملی گوسین، گوس ویو و هایپرکم (فولرن، گرافن، انواع نانولوله‌‏های کربنی و …)

در شیمی محاسباتی مدرن ، شیمی کوانتوم محاسبات با استفاده از یک مجموعه متناهی انجام می شود توابع پایه . هنگامی که مبنای محدود نسبت به مجموعه ای از توابع (بی نهایت) کامل گسترش می یابد ، گفته می شود که محاسبات با استفاده از چنین مجموعه مبنایی به مرز مجموعه مبنای کامل (CBS) نزدیک می شوند. در این مقاله ، گاهی اوقات از عملکرد پایه و مداری اتمی به جای هم استفاده می شوند ، اگرچه توابع پایه معمولاً اوربیتال های اتمی درست نیستند ، زیرا بسیاری از توابع پایه برای توصیف اثرات قطبش در مولکول ها استفاده می شود.

در مجموعه مبنا ، تابع موج به عنوان بردار نشان داده می شود ، اجزای آن مربوط به ضرایب توابع پایه در انبساط خطی است. بر این آموزش شیمی محاسباتی ، عملگرهای یک الکترون با ماتریس مطابقت دارند (ال.ا.ک. رتبه دو سنسور ) ، در حالی که اپراتورهای دو الکترون رتبه چهار حسگر هستند.

هنگامی که محاسبات مولکولی انجام می شود ، معمولاً استفاده از مبنایی متشکل از اوربیتال اتمی ، مرکز هر آموزش شیمی محاسباتی در آموزش شیمی محاسباتی (ترکیب خطی اوربیتال اتمی ansatz ). بهترین مجموعه مبتنی بر انگیزه از نظر آموزش شیمی محاسباتی اوربیتالهای نوع اسلاتر (STO) هستند که راه حلهایی برای معادله شرودینگر اتمهای هیدروژن مانند هستند و به طور گسترده ای از بین می روند دور از هسته می توان نشان داد که آموزش شیمی محاسباتی های مولکولی Hartree-Fock و نظریه عملکردی چگالی نیز از بین می روند. علاوه بر این ، STO های نوع S نیز شرایط کاسپو هسته را برآورده می کنند ، به این معنی که آنها قادر به توصیف دقیق چگالی الکترون در نزدیکی هسته آموزش شیمی محاسباتی . با این حال ، اتمهای هیدروژن مانند فاقد فعل و انفعالات بسیاری از الکترونها هستند ، بنابراین اوربیتالها به طور دقیق همبستگی حالت الکترون را توصیف نمی کنند .

متأسفانه ، محاسبه انتگرال با STO از نظر محاسباتی دشوار است و بعداً توسط فرانک بویز که STO ها می توانند به عنوان ترکیب های خطی اوربیتال های نوع Gaussian (GTO) تقریبی شوند. از آنجا که محصول دو GTO را می توان به صورت ترکیبی خطی از GTO نوشت ، انتگرال هایی با توابع پایه گاوسی را می توان به صورت بسته نوشت ، که منجر به صرفه جویی در محاسبات زیادی می شود (به John Pople مراجعه کنید).

ده ها مجموعه از نوع مداری از نوع گوسی در ادبیات منتشر شده است. مجموعه مبانی به طور معمول در سلسله مراتب با افزایش اندازه وجود دارد ، و راهی کنترل شده برای دستیابی به راه حل های دقیق تر ، اما با هزینه بیشتر فراهم می کند.

در بیشتر پیوندهای مولکولی ، الکترونهای ظرفیت هستند که اصولاً در پیوند شرکت می کنند. در تشخیص این واقعیت ، معمولاً نشان دادن اوربیتالهای ظرفیت با بیش از یک تابع پایه است (هر یک از آنها به نوبه خود می تواند از یک ترکیب خطی ثابت از توابع ابتدایی گاوسی تشکیل شود). مجموعه های مبنایی که در آنها توابع پایه چند متناظر با هر مداری اتمی ظرفیت وجود دارد ، دو برابر ، سه گانه ، چهار برابر زتا و غیره نامیده می شوند ، و به همین ترتیب ، مجموعه های پایه (zeta ، ζ ، معمولاً برای نشان دادن نماینده یک تابع پایه STO استفاده می شد) . از آنجا که اوربیتالهای مختلف شکاف دارای آموزش شیمی محاسباتی مختلفی هستند ، X-YZg است. در این حالت ، X نشان دهنده تعداد آموزش شیمی محاسباتی های ابتدایی است که از هر تابع پایه مداری اتمی تشکیل شده است. Y و Z نشان می دهد که اوربیتالهای ظرفیت از هرکدام از دو تابع پایه تشکیل شده اند ، تابع اول از ترکیبی خطی از توابع ابتدایی گاوسی ، و دیگری از ترکیب خطی توابع ابتدایی گاوسی تشکیل شده است. در این حالت ، وجود دو عدد بعد از خط فاصله نشان می دهد که این مجموعه مبنایی یک مجموعه اساس Wikipedia site:bit-pac.com این ترکیب اجازه می دهد تا چگالی آموزش شیمی محاسباتی میزان فضایی خود را متناسب با محیط مولکولی خاص تنظیم کند. در آموزش شیمی محاسباتی ، مجموعه های حداقل پایه فاقد انعطاف پذیری برای تنظیم با محیط های مختلف مولکولی هستند. Wikipedia site:bit-pac.com

کوچکترین مجموعه های پایه را حداقل پایه می نامند. یک آموزش شیمی محاسباتی  مبنای حداقل مجموعه ای است که در آن ، روی هر اتم در مولکول ، یک تابع پایه واحد برای هر مداری در محاسبه Hartree – Fock روی اتم آزاد آموزش شیمی محاسباتی شود. برای آموزش شیمی محاسباتی مانند لیتیوم ، توابع پایه از نوع p نیز به توابع پایه اضافه می شوند که با اوربیتالهای ۱s و ۲s اتم آزاد مطابقت دارند ، زیرا لیتیوم نیز حالت محدود ۱s2p دارد. به عنوان مثال ، هر اتم در دوره دوم سیستم تناوبی (Li – Ne) دارای یک مجموعه مبنایی از پنج تابع (دو تابع و سه تابع p) خواهد بود. Wikipedia site:bit-pac.com

ابتدایی گاوسی تشکیل شود). آموزش شیمی محاسباتی های مبنایی که در آنها توابع پایه چند متناظر با هر مداری اتمی ظرفیت وجود دارد ، دو برابر ، سه گانه ، چهار برابر زتا و غیره نامیده می شوند ، و به همین ترتیب ، آموزش شیمی محاسباتی های پایه (zeta ، ζ ، معمولاً برای نشان دادن نماینده یک تابع پایه STO استفاده می شد) . از آنجا که اوربیتالهای مختلف شکاف دارای فضای مختلفی هستند ، این ترکیب اجازه می دهد تا آموزش شیمی محاسباتی الکترون میزان فضایی خود را متناسب با محیط مولکولی خاص تنظیم کند. در مقابل ، مجموعه های حداقل پایه فاقد انعطاف پذیری برای تنظیم با محیط های مختلف مولکولی هستندWikipedia site:bit-pac.com

.

در حالی که مجموعه های معمول Dunning برای محاسبات فقط ظرفیت استفاده می شوند ، مجموعه ها را می توان با توابع دیگری که همبستگی الکترون اصلی را توصیف می کنند ، افزود. این مجموعه های هسته-ظرفیت (cc-pCVXZ) را می توان برای دستیابی به راه حل دقیق مسئله همه الکترون استفاده کرد ، و آنها برای محاسبات دقیق خاصیت هندسی و هسته ای ضروری هستند.

مجموعه های توزین هسته ای (cc-pwCVXZ) نیز اخیراً پیشنهاد شده اند. مجموعه های هم وزن با هدف به دست آوردن همبستگی هسته-ظرفیت ، در حالی که از بیشترین همبستگی هسته-هسته غافل می شوند ، به منظور ارائه هندسه های دقیق با هزینه کمتری از مجموعه های cc-pCVXZ.

توابع پراکنده را می توان برای توصیف آنیونها و آموزش شیمی محاسباتی و انفعالات دوربرد مانند نیروهای ون در والس یا انجام محاسبات الکترونیکی حالت برانگیخته ، محاسبات خاصیت میدان الکتریکی نیز اضافه کرد. یک دستورالعمل برای ساخت توابع اضافی اضافی وجود دارد. به عنوان پنج تابع تقویت شده در محاسبات ابرپلاریزاسیون دوم در ادبیات استفاده شده است. به دلیل ساخت دقیق این مجموعه های پایه ، تقریباً برای هر خاصیت انرژی می توان برون یابی را انجام داد. با این حال ، هنگامی که اجزای انرژی جداگانه با نرخ های مختلف همگرایی می کنند ، باید مراقب اختلافات انرژی بودWikipedia site:bit-pac.com

معیار انرژی قرار می گیرند سپس در محاسبه گنجانده می شوند. این مجموعه های پایه در محاسبات مربوط به شرایط مرزی تناوبی سه بعدی .

محبوبیت دارند: مزیت اصلی مبنای موج صفحه ای این است که تضمین شده است که به صورت یکنواخت و یکنواخت به عملکرد موج هدف همگرا می شود. در مقابل ، هنگامی که از مجموعه های مبنای محلی استفاده می شود ، همگرایی آموزش شیمی محاسباتی به حد تعیین شده مبنای ممکن است به دلیل مشکلات بیش از آموزش شیمی محاسباتی کامل مشکل باشد: در یک مجموعه پایه بزرگ ، توابع روی اتم های مختلف شروع به شبیه شدن می کنند ، و بسیاری از مقادیر ویژه ماتریس همپوشانی نزدیک صفر.

علاوه بر این ، برنامه های انتگرال و عملکردهای خاص با توابع پایه موج آموزش شیمی محاسباتی بسیار ساده تر از نمونه های محلی آنها هستند. به عنوان مثال ، اپراتور انرژی جنبشی در فضای آموزش شیمی محاسباتی مورب است. انتگرال ها را بر روی اپراتورهای فضای واقعی می توان با استفاده از کارآمد انجام داد. خصوصیات تبدیل فوریه اجازه می دهد تا یک بردار که نمایانگر گرادیان انرژی کل با توجه به ضرایب موج صفحه است ، با یک تلاش محاسباتی محاسبه شود که به عنوان NPW * ln (NPW) مقیاس می شود که NPW تعداد امواج صفحه است. وقتی این خاصیت با شبه اختلالات قابل تفکیک از نوع کلاینمن-بیلندر و تکنیک های محلول شیب مزدوج پیش شرطی ترکیب شود ، شبیه سازی دینامیکی مشکلات دوره ای حاوی صدها اتم امکان پذیر می شود.

در عمل ، مجموعه های پایه موج هواپیما اغلب در ترکیب با “پتانسیل هسته موثر” یا شبه پتانسیل استفاده می شوند ، به طوری که از امواج صفحه فقط برای توصیف چگالی بار ظرفیت استفاده می شود. این بدان دلیل است که الکترونهای هسته تمایل دارند بسیار نزدیک به هسته های اتمی متمرکز شوند ، در نتیجه شیب های عملکرد موج و چگالی زیادی در نزدیکی هسته ها وجود دارد که به راحتی توسط یک مجموعه موج هواپیما توصیف نمی شوند مگر اینکه یک قطع انرژی بسیار زیاد ، و بنابراین طول موج کوچک ، استفاده می شود. این روش ترکیبی از یک پایه موج هواپیما با هسته شبه پتانسیل اغلب به عنوان یک محاسبه PSPW مخفف می شود.

بعلاوه ، چون همه توابع موجود متقابلاً متعامد هستند و با هیچ اتم خاصی در ارتباط نیستند ، مجموعه های پایه موج هواپیما خطای برهم نهی مجموعه مبنا را نشان نمی دهند . با این حال ، مجموعه مبنای موج هواپیما به اندازه سلول شبیه سازی بستگی دارد و بهینه سازی اندازه سلول را پیچیده می کند.

با توجه به فرض شرایط مرزی دوره ای ، آموزش شیمی محاسباتی های پایه موج هواپیما نسبت به مجموعه های پایه موضعی برای محاسبات فاز گاز کمتر مناسب هستند. برای جلوگیری از فعل و انفعالات با مولکول و نسخه های دوره ای آن ، باید مناطق وسیعی از خلا را در همه طرف مولکول فاز گاز اضافه کرد. با این حال ، امواج صفحه ای از یک دقت مشابه برای توصیف منطقه خلا به عنوان منطقه ای که مولکول در آن قرار دارد استفاده می کنند ، به این معنی که به دست آوردن حد واقعاً غیرمطلب ممکن است از نظر محاسباتی هزینه بر باشدWikipedia site:bit-pac.com

در بیشتر پیوندهای مولکولی ، الکترونهای ظرفیت هستند که اصولاً در پیوند شرکت می کنند. در تشخیص این واقعیت ، معمولاً نشان دادن اوربیتالهای ظرفیت با بیش از یک تابع پایه است (هر یک از آنها به نوبه خود می تواند از یک ترکیب خطی ثابت از توابع ابتدایی گاوسی تشکیل شود). مجموعه های مبنایی که در آنها توابع پایه چند متناظر با هر مداری اتمی ظرفیت وجود دارد ، دو برابر ، سه گانه ، چهار برابر زتا و غیره نامیده می شوند ، و به همین ترتیب ، مجموعه های پایه (zeta ، ζ ، معمولاً برای نشان دادن نماینده یک تابع پایه STO استفاده می شد) . از آنجا که اوربیتالهای مختلف شکاف دارای فضای مختلفی هستند ، X-YZg است. در این حالت ، X نشان دهنده تعداد گاوسی های ابتدایی است که از هر آموزش شیمی محاسباتی پایه مداری اتمی تشکیل شده است. Y و Z نشان می دهد که اوربیتالهای ظرفیت از هرکدام از دو تابع پایه تشکیل شده اند ، تابع اول از ترکیبی خطی از توابع ابتدایی گاوسی ، و دیگری از ترکیب خطی توابع آموزش شیمی محاسباتی گاوسی تشکیل شده است. در این حالت ، وجود دو عدد بعد از خط فاصله نشان می دهد که این مجموعه مبنایی یک مجموعه اساس Wikipedia site:bit-pac.com این ترکیب اجازه می دهد تا چگالی الکترون میزان فضایی خود را متناسب با محیط مولکولی خاص تنظیم کند. در مقابل ، مجموعه های حداقل پایه فاقد انعطاف پذیری برای تنظیم با محیط های مختلف مولکولی هستند. Wikipedia site:bit-

در بیشتر پیوندهای مولکولی ، الکترونهای ظرفیت آموزش شیمی محاسباتی که اصولاً در پیوند شرکت می کنند. در تشخیص این واقعیت ، معمولاً نشان دادن اوربیتالهای ظرفیت با بیش از یک تابع پایه است (هر یک از آنها به نوبه خود می تواند از یک ترکیب خطی ثابت از توابع ابتدایی گاوسی تشکیل شود). مجموعه های مبنایی که در آنها توابع پایه چند متناظر با هر مداری اتمی ظرفیت وجود دارد ، دو برابر ، سه گانه ، چهار برابر زتا و غیره نامیده می شوند ، و آموزش شیمی محاسباتی همین ترتیب ، مجموعه های پایه (zeta ، ζ ، معمولاً برای نشان دادن نماینده یک تابع پایه STO استفاده می شد) . از آنجا که اوربیتالهای مختلف شکاف دارای فضای مختلفی هستند ، این ترکیب اجازه می دهد تا چگالی الکترون میزان فضایی خود را متناسب با محیط مولکولی خاص تنظیم کند. در مقابل ، مجموعه های حداقل پایه فاقد انعطاف پذیری برای تنظیم با محیط های مختلف مولکولی هستند. Wikipedia site:bit-pac.com