Materials Studio предоставляет различные инструменты моделирования кристаллических структур и процессов кристаллизации, для исследования свойств полимеров и катализа. Materials Studio содержит более 30 модулей с различными функциональными возможностями. Построение пакета создает дружественный интерфейс для пользователя и предоставляет возможность проводить обмен изучаемыми моделями между различными вычислительными модулями, которые способны проводить расчеты свойств моделируемых структур в рамках квантово-механических, полуэмпирических, параметризованных эмпирических и классических представлений.
Эффективный поиск путей реакции
Изучение химических изменений с использованием инструментов вычислительного материаловедения обычно сводится к двум стилям исследований. С одной стороны, вы можете исследовать возможные механизмы реакции, подробные пути реакции и анализ фактических барьеров и скоростей реакции. С другой стороны, вы можете смоделировать химическую динамику на основе скоростей, чтобы помочь понять сложное взаимодействие различных процессов в химической системе. За последние 5-6 лет команда BIOVIA Materials Studio вложила значительные средства в обе эти области. Этот пост в блоге является частью серии из двух, в которых освещаются некоторые основные моменты выпуска Material Studio 2022. Здесь я описываю FlexTS, наш инструмент нового поколения для получения химических барьеров и скорости процесса.
Представляем студию материалов FlexTS
FlexTS полностью переопределяет способ расчета путей реакции и барьеров, а также любых промежуточных состояний для отдаленных минимумов. Его главная сила — чрезвычайно эффективный путь к нахождению переходных состояний (ПС), то есть седловых точек между двумя различными химическими состояниями. FlexTS был разработан в сотрудничестве с ведущими мировыми учеными из Кембриджского университета и сочетает в себе наиболее эффективные методы для каждого этапа процесса поиска TS [1-3]. Алгоритмы FlexTS очень надежны, обладают отличными свойствами сходимости и скоростью вычислений мирового класса.
Проблема, с которой обычно сталкиваются вычислительные химики при вычислении переходных состояний, заключается в том, что общедоступные методы с трудом сходятся к фактическому переходному состоянию, что часто приводит к неточным или частичным результатам. В то же время важно установить, что любое обнаруженное переходное состояние действительно соответствует предполагаемым в исследовании реагентам и продуктам. Наш растущий опыт работы с этим новым инструментом показывает, что часто это не так, что может удивить как теорию, так и эксперимент.
Эффективный поиск путей реакции
Materials Studio FlexTS выполняет поиск каждого переходного состояния, как показано на упрощенном рисунке справа. Он начинается с соединения гипотетического реагента и продукта с траекторией изображений и выполнения расчета эластичной ленты с подталкиванием. Этот популярный метод работает путем интерполяции структур реагентов и продуктов с рядом изображений , связанных виртуальными пружинами. Оптимизация геометрии системы «образы-и-пружины» гарантирует нахождение пути реакции, но на практике она также может быть чрезвычайно медленной, что требует времени, ресурсов и, в конечном счете, денег. Таким образом, FlexTS использует сдвинутую эластичную ленту только в первой части расчета поиска переходного состояния, где это наиболее эффективный доступный метод (верхняя панель на рисунке).
Как только становится возможным извлечь подходящее предположение для переходного состояния, FlexTS переключается на гибридный собственный вектор. Это очень эффективный метод нахождения седловой точки, как показано на второй панели рисунка. Для тех, кто интересуется техническими подробностями: гибридный алгоритм EF минимизирует структуру по моде Гессе с наименьшим собственным значением, даже не вычисляя дорогостоящую в числовом отношении матрицу Гессе.
Как только FlexTS находит седловую точку и соответствующий режим реакции, она смещает химическую систему от седловой точки и выполняет эффективную оптимизацию геометрии. Это показывает химические состояния, соответствующие этой конкретной седловой точке. Наконец, FlexTS сравнивает структуры, полученные на последнем этапе, и сравнивает их с реагентом и продуктом. Если FlexTS находит и реагент, и продукт, то существует связанный путь и расчет завершается. В других случаях найденных реагентов и продуктов может быть достаточно для данного применения. Если нет, FlexTS будет повторять процесс до тех пор, пока не найдет многошаговый связанный путь.
Во многих случаях полный анализ переходного состояния выполняется быстрее, чем расчет колебаний для отдельной конструкции. FlexTS также очень прост в использовании с точки зрения пользователя: для успешного поиска переходного состояния требуется всего несколько основных вариантов выбора.
Многоступенчатые пути
Чтобы проиллюстрировать силу этого подхода, мы можем рассмотреть молекулярную систему справа. Он иллюстрирует простой вопрос молекулярной передачи информации. Если нам удастся переместить один атом водорода с одной стороны одной из полициклических молекул, будет ли этого достаточно, чтобы этот отдельный бит информации распространился по всей системе? Или существуют промежуточные локальные минимумы, которые необходимо преодолеть, чтобы фактически переключить шесть отдельных водородных связей?
Materials Studio FlexTS может помочь ответить на этот вопрос, рассчитав путь минимальной энергии между начальным и конечным состояниями этого процесса. Запустив цикл, описанный выше, несколько раз, оказывается, что существует шесть отдельных реакционных барьеров для пересечения между начальным и конечным состояниями. На рисунке справа показан путь, найденный FlexTS в одном расчете , с отдельными барьерами в диапазоне от 2,4 до 22,6 ккал/моль.
Один и тот же тип расчета широко применялся во многих различных приложениях, касающихся материалов аккумуляторов, гетерогенного катализа, твердотельных и фармацевтических реакций.
Результаты расчета FlexTS включают непосредственный ввод данных для анализа кинетики реакции в Materials Studio. Это обеспечивает прогноз фактической скорости реакции, полученный из энергий активации и частот колебаний начального и переходного состояния. Этот расчет завершает половину пути, намеченного изначально, а именно связывает атомную структуру со скоростью одного или нескольких этапов химической реакции.
#materials studio #biovia #3d моделирование #новые материалы #полимеры #наука #наука и образование #наука и техника #расчет реакций