AIM2000簡明使用教程

AIM2000ver2.0簡明使用教程文/SoberevaLastupdate:2010-MAR-13本文主要介紹AIM2000的基本使用，關(guān)于AIM理論就不多談了。相對于其它 AIM軟件，AIM2000的優(yōu)點(diǎn)是界面友好，簡單易用，缺點(diǎn)是原子盆積分速度偏慢(AIMALL快得多)。建議用ver2.0，相對于ver1.0作了一些改進(jìn)，因此更好用，比如界面、默認(rèn)設(shè)置等等，尤其是新加入envelope圖的支持。官方網(wǎng)站上有demo版(http://www.aim2000.de)，用起來和正式版在功能上沒區(qū)別，但是最多只能載入8個核、14個軌道、128個高斯函數(shù)的體系，沒太大實用價值。安裝后在aim2000hlp目錄下有一個手冊aim2000.chm，介紹每一個選項的功能；有一個教程tutor.chm，以C4H4為例圖文并茂地介紹做各種圖；在AIM2000目錄下還有個aim2000V2UsersGuide.pdf，羅列了AIM2000具備的功能，并對程序中 涉及的每個函數(shù)進(jìn)行了簡略介紹。下文示例的波函數(shù)是自帶的C4h4.wfn。預(yù)備知識1.1窗口主界面左上角是控制窗口?？梢赃x擇感興趣的原子，被選擇的原子在 3D窗口中會顯示以這個原子為中心的坐標(biāo)軸，原子盆積分也將對這個原子積分；可以選擇原子間面用作原子間面積分；可以選擇函數(shù)，默認(rèn)是電子密度，如果想對別的函數(shù)進(jìn)行分析則選擇相應(yīng)函數(shù)，此教程的示例都是對電子密度進(jìn)行討論。如果之前已經(jīng)對某些函數(shù)做了一些圖，選擇相應(yīng)函后，在Plotsforthisdensityfunction里面就可以選擇對這個函數(shù)已做過的圖，同時顯示在 2D窗口中。主界面右上方是記錄窗口。 Record菜單中選其中一項，就會在這里顯示已計算的項目的細(xì)節(jié)信息，然后可在file-printpreview里面看到這些內(nèi)容的打印預(yù)覽。主界面下方是2D窗口，通過Plot菜單的功能做的圖，即分子圖、等值線/梯度線圖、Relief圖，都顯示在這個區(qū)域。 獨(dú)立存在的一個窗口是3D窗口。在ver1.0中這個窗口是內(nèi)嵌在主界面的。1.23D窗口中的操作z是放大，x是縮小，空格是重置視角，方向鍵平移體系， s保存圖像(.bmp)，a和m分別控制是否顯示原子和分子的坐標(biāo) 軸。按shift和ctrl可l=i以分別增加平移、縮放的速度，按Tab重置速度。b、r、g分別控制是否顯l=i示鍵、環(huán)、籠的路徑3D窗口中點(diǎn)右鍵可以選擇是否顯示坐標(biāo)軸(紅/綠/藍(lán)=X/Y/Z)，是否顯示各種類型臨界點(diǎn)和路徑，可以增加或減小平移、縮放的速度。還可以設(shè)定背景顏色，如果用于文件插圖，建議將背景設(shè)成白色。3D窗口中直接雙擊原子、臨界點(diǎn)或者臨界點(diǎn)連線，可獲得相關(guān)信息。如果是臨界點(diǎn)，會有Analyse按鈕，點(diǎn)擊它可分析此臨界點(diǎn)的具體性質(zhì)。1.32D窗口中的操作a控制是否顯示坐標(biāo)軸，b控制是否顯示圖像邊界，L控制是否顯示標(biāo)簽(比如顯示的坐標(biāo))，n重新做當(dāng)前的圖，t控制是否顯示標(biāo)題。按住m上下拖動鼠標(biāo)可縮放圖像，按住p上下左右拖動鼠標(biāo)平移圖像，按住x或y或z分別上下、左右、上下拖動鼠標(biāo)使圖像分別繞著x或y或z軸旋轉(zhuǎn)，按空格恢復(fù)初始視角。對于等值線這樣的純平面圖只能按著z來拖動鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)。如果想在圖中某處添加文字，在圖上點(diǎn)右鍵可在相應(yīng)位置添加。1.4其它主菜單Calculation-Propertiesofdensityfunction可以任意輸入某個坐標(biāo)，得到此點(diǎn)的信息，如密度、梯度、Hessian。注意AIM2000中的拉普拉斯值(L,LaplacianofRho)的定義與常規(guī)的不同，在AIM2000中它是電子密度的Hessian矩陣的跡乘以-0.25，而常規(guī)定義不乘以-0.25。File-Save可以將波函數(shù)信息連同當(dāng)前已經(jīng)運(yùn)算的所有數(shù)據(jù)保存到.aim文件中。Option菜單中包括此程序各個功能涉及到的所有設(shè)定。但也可以在相關(guān)功能的窗口中點(diǎn) Option按鈕進(jìn)入對應(yīng)的設(shè)定。AIM2000中的數(shù)據(jù)用的是原子單位，故坐標(biāo)是以波爾半徑為單位(1bohr=0.52917720859埃)。 后文用cp代表臨界點(diǎn)(criticalpoint)。獲得波函數(shù)文件波函數(shù)文件可以由很多量化軟件計算獲得。在高斯中， RouteSection輸入output=wfn，在MolecularSpecification最后輸入比如c:\gtest\1.wfn，計算完成后即得到波函數(shù)文件 1.wfn。高斯默認(rèn)使用SCF電子密度，所以如果用后HF方法，應(yīng)當(dāng)加上density=current，如果是DFT方法則不需要加這個關(guān)鍵詞，因為 DFT密度就是SCF密度。對于GAMESS-US，$contrl里加AIMPAC=.TRUE.，運(yùn)行任務(wù)之后在$scr環(huán)境變量下的.dat文件里就會含有波函數(shù)文件的段落，拷貝出來存成.wfn文件就行了。注意所用基組對AIM結(jié)果影響較大，不應(yīng)使用小基組，否則對電子密度描述粗糙，所得臨界點(diǎn)數(shù)值和位 置不正確，甚至得到虛假的臨界點(diǎn)。另外注意應(yīng)使用笛卡爾型高斯函數(shù)(即6f、10f)，而不要用球諧型，如果不確定當(dāng) 前是否是6d、10f型，在高斯中應(yīng)使用6d、10f關(guān)鍵字。然后進(jìn)入AIM2000，點(diǎn)左上角wfn圖標(biāo)，打開.wfn。找出所有臨界點(diǎn)進(jìn)入calculation-criticalpoints，直接依次點(diǎn)trytofindmaximatrytofindmaxima,trytofind（3,-1）critical,trytofind（3,+1）critical對應(yīng)的按鈕，就得到全部三種臨界點(diǎn)，點(diǎn)OK返回。這時在圖形窗口中會顯示出的臨界點(diǎn)。一般情況下不用自己 改參數(shù)。如果對某些臨界點(diǎn)的性質(zhì)感興趣，可以點(diǎn)擊右側(cè)列表里的任何臨界點(diǎn)作為 startpoint，然后點(diǎn)analysestaringpoint按鈕來得到此點(diǎn)的所有性質(zhì)。******附注******關(guān)于Option中條目的說明：AIM2000用的是牛頓法尋找臨界點(diǎn)，在電子密度面上尋找（3,-3）、（3,-1）、（3,+1）點(diǎn)，就如同在勢能面上尋找極小點(diǎn)、過渡態(tài)、二階鞍點(diǎn)，需要反復(fù)迭代。所以也有步長、步數(shù)、收斂條件這樣的參數(shù)。Minimaldistanceofcriticalpoints:設(shè)定臨界點(diǎn)之間的距離至少為多少，如果臨界點(diǎn)與其它臨界點(diǎn)的距離小于這個數(shù)值則被認(rèn)為相同而不被記錄，一般用默認(rèn)的 0.1即可。Iterationcontinuesifdistanceofconsecutivepoints: 當(dāng)前步移動的距離必須小于這個值才算收斂。默認(rèn)1E-9。Iterationcontinuesif2-normofgradientisgreater: 當(dāng)前位置的電子密度梯度的模必須小于這個值才算收斂。默認(rèn)1E-7。MaximalnumberofNewtoniterations:最大迭代次數(shù)，默認(rèn)120，一般幾十步以內(nèi)就能找到臨界點(diǎn)（步數(shù)與初猜離臨界點(diǎn) 位置的遠(yuǎn)近關(guān)系很大）。增加太多會多花時間，卻并不能有效解決找不到臨界點(diǎn)問題。Stepsizefactorfornewtoniteration:用于調(diào)整步長。如果臨界點(diǎn)離初始點(diǎn)比較近，應(yīng)當(dāng)減小。找不到H的鍵臨界點(diǎn)是容易 遇到的情況，將此項減小到0.5一般就能解決。迭代過程會從自動選擇的初始點(diǎn)開始。尋找（3,-3）會依次將每個原子核坐標(biāo)作為初始點(diǎn)，尋找（3,-1）會依次將每個原子間連線的中點(diǎn)作為初始點(diǎn)，尋找（3,+1）會依次將每三個原子組成的三角形的中心作為初始點(diǎn)。如果某一步同時滿足了兩個收斂條件，而且這個點(diǎn)與已知臨界點(diǎn)位置大于所設(shè)最小距離，則被判為successful，并計入列表中。如果到了最大步數(shù) 仍沒達(dá)到判據(jù)要求，或者達(dá)到了收斂要求但與已知點(diǎn)太近，或Hessian矩陣成為奇矩陣（沒有其逆矩陣導(dǎo)致無法確定下一步的移動向量），則被判為 unsuccessful。在每次尋找臨界點(diǎn)結(jié)束后都會彈出一個 Recordofcalculation窗口顯示每次迭代的細(xì)節(jié)，包括起始位置、迭代次數(shù)、最終位置、最終步的電子密度梯度和移動距離。如果已知某些臨界點(diǎn)應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)，但找不到，應(yīng)當(dāng)注意觀察迭代的細(xì)節(jié)信息。加大迭代次數(shù)，減小步長因子，降低收斂判據(jù)可以增加成功幾率，但是過多地降低收斂判據(jù)會導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。在尋找（3,-3）時如果出現(xiàn)unsuccessful應(yīng)當(dāng)特別注意，說明有的與原子核對應(yīng)的（3,-3）點(diǎn)沒找到，而（3,-3）點(diǎn)又是確定（3,-1）、（3,+1）點(diǎn)初猜的依據(jù)，這會導(dǎo)致某些（3,-1）、（3,+1）點(diǎn)不能找到，所以需要修改參數(shù)以保證所有（3,-3）點(diǎn)都找到。由于初猜位置（原子核）與（3,-3）點(diǎn)十分相近，所以一般只需要幾步就能找到，因此增加步數(shù)對找不到 （3,-3）的問題是沒有效果的，而應(yīng)當(dāng)適當(dāng)降低

梯度收斂判據(jù)，這對于因為核位置處電子密度曲率很大而難以定位梯度為零點(diǎn)的重原子的情況很管用。如果想用自己設(shè)定迭代的初始點(diǎn)而不用程序自動設(shè)定的，可以在 x、y、z框里輸入坐標(biāo)，或者從右側(cè)列表里選一個，然后點(diǎn)IteratewithStartingpoint。這很有用，例如已知Li2這樣的分子存在“贗原子”，也就是指與原子核不對應(yīng)的(3,-3)臨界點(diǎn)，它出現(xiàn)在兩個Li原子核之間，而自動提供的找(3,-3)點(diǎn)的初猜是在原子核位置，顯然找不到這個特殊的(3,-3)點(diǎn)，這就需要手動將初猜設(shè)到這個位置。Iteratewithgridpointsasstartingvalues 按鈕的意思是以x、y、z框里設(shè)的點(diǎn)為中心設(shè)定一個立方格子，將均勻分布在格子 中的點(diǎn)依次作為起始點(diǎn)進(jìn)行迭代。 Cubesize是格子邊長，No.ofstartingvaluesalong是指每個邊上有多少個點(diǎn)，假設(shè)為4，則格子內(nèi)總共有4人3=64個點(diǎn)，也就是Totalno.ofstartingvaluesin里面顯示的數(shù)目?！啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊?**************臨界點(diǎn)連線Calculation-moleculargraph依次點(diǎn)Calculate...Calculation-moleculargraph依次點(diǎn)Calculate...下面的三個按鈕，得到臨界點(diǎn)之間的連線。之后就可以在口中看到了。選擇一項或幾項，再)點(diǎn)cfcbePats，可以顯示它們的始點(diǎn)、長度、由多少個點(diǎn)組成等信息，如果 之前選Xongdescription，還會將組成連線的每個點(diǎn)坐標(biāo)及它們在路徑中相對于初始點(diǎn)的距離都列出來。就可Selectedpath原子盆積分在主界面左上方，atomsinthismolecule里面選一個原子，然后選calculation-integrationoveratomicbasin。點(diǎn)Functions按鈕選積分哪些函數(shù)，計算時間會因積分函數(shù)的增多所增力口，每個函數(shù)的解釋和算法見附帶的 aim2000V2UsersGuide.pdf。0)分隔的屬于原子自己個球形，在atombasin所含空間范圍之內(nèi)，這個部分由于離原化不大，梯度線仍是放射狀，故對于這個部分使用普通的極坐標(biāo)積分，設(shè)氫原子較小應(yīng)設(shè)0.3。其它部分是beta-sphere0)分隔的屬于原子自己個球形，在atombasin所含空間范圍之內(nèi)，這個部分由于離原化不大，梯度線仍是放射狀，故對于這個部分使用普通的極坐標(biāo)積分，設(shè)氫原子較小應(yīng)設(shè)0.3。其它部分是beta-sphere和atombasin之間的部分，Integrateinsidebeta-sphere只積分Integrateinsidebeta-sphere只積分beta-sphere里面；Integrateinnatural一般選擇這個，積分后會輸出兩套數(shù)據(jù)，先輸出的只是其中的beta-spherecoordinate積分二者！部分積分結(jié)果，后輸出的才是完整原子盆積分結(jié)果，數(shù)據(jù)應(yīng)取這個(即輸出原子密度大的那套數(shù)據(jù))；Integrationinradialcoordinates是指范圍由原子間表面決定，速度很 慢，不宜使用。注意，執(zhí)行原子盆積分之前，應(yīng)當(dāng)先找出臨界點(diǎn)及其連線，否則積分時可能會因為積分精度問題報錯。算AIM電荷的方法：AIM電荷就是原子的質(zhì)子數(shù)減去原子盆內(nèi)的電子密度的積分。例如求C4H4中的C的AIM電荷就是主界面左上角選擇C，calculation-integrationoveratomicbasin，function里去掉能去掉的所有對鉤，點(diǎn)integrateinnaturalcoordinate，得到6.132723（RHO,electrondensity），故AIM電荷為-0.132723。一般情況與Gaussian中以aim=charges得到的AIM電荷是一致的（因積分算法不同有微小差異）。原子間面積分在控制界面Interatomicsurface中選一個原子間面，然后 calculation-integrationoverinteratomicsurface。作envelope圖Envelope-initializeenvelopegrid，用默認(rèn)即可，OK。點(diǎn)increasegriddensity三次為好（若體系較大應(yīng)為兩次），每次格子尺寸都會減小為原來一半，格子數(shù)量隨之增加，使 envelope圖更精細(xì)。這個過程往往需要計算空間中幾十甚至百萬個以上 的數(shù)據(jù)點(diǎn)，所以比較耗時，保存的.aim文件由于包含這些數(shù)據(jù)點(diǎn)所以也很大，可達(dá)幾十、幾百兆。Envelope-defineenvelopemap，transparency（透明度）建議設(shè)0.2，調(diào)minimal與maximalvalue設(shè)定最大值與最小值的顏色，介于中間部分的數(shù)值會自動通過插值確定，然后選擇 envelope的格點(diǎn)表達(dá)方式是以球還是三角，最后點(diǎn) OK。如果只想顯示某些原子盆的envelopemap，在右邊displayonlybasins選擇相應(yīng)原子。如果都不選，相當(dāng)于選擇全部。此時應(yīng)當(dāng)?shù)玫筋愃葡聢D結(jié)果，如果在 3D窗口中沒有顯示出來，在 3D窗口點(diǎn)右鍵，看看envelopemapswitchon/off是否被關(guān)閉了。如果更改過envelope顯示設(shè)置但是3D窗口沒有更新，點(diǎn)一下3D窗口。默認(rèn)是電子密度圖，如果想作其它函數(shù)的，回主界面 propertyfunction選擇相應(yīng)函數(shù)，則3D窗口中的圖會及時更新。

8.作分子圖OK即可顯示Plot-newplot-moleculargraphOK即可顯示9.作等值線圖+梯度線圖選Plot-newplot-lineplot。等值線、梯度先可以分別作，也可以一起做。9.1作等值線圖首先要設(shè)定作圖的平面。在planesetup中，從列表中選一個點(diǎn)之后選pointA，同樣添加pointB、C，這樣平面就被這三個點(diǎn)確定了。實際作圖區(qū)域只是這個平面當(dāng)中范圍有限的一個矩形，它在這個平面上處于什么位置要用center來設(shè)。初始點(diǎn)默認(rèn)是 0,0,0，點(diǎn)擊CalculateProjectedCenter就會得到0,0,0這個點(diǎn)投影到所設(shè)平面上的位置（即0,0,0點(diǎn)向平面做的垂線與平面的交點(diǎn)），這個位置就是作圖的矩形的中點(diǎn)。也可以自行輸入或選擇一個點(diǎn)再點(diǎn) center按鈕來設(shè)初始點(diǎn)。實際上沒必要每 次都手動點(diǎn)擊CalculateProjectedCenter來投影初始點(diǎn)得到實際位置，直接點(diǎn)OK就會自動做投影這步。點(diǎn)擊Applyin3Dview可在3D窗口中看到灰色矩形，這就是實際作圖區(qū)域，如下圖所示。如果看到矩形范圍太小，應(yīng)修改Width和Height使矩形變大，由于面積變大相應(yīng)地計算時間也會增長。Angle可以設(shè)這個矩形旋轉(zhuǎn)多少度，適當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)后可以保持矩形面積不變的情況下包含更多感興趣的范圍。點(diǎn)擊左側(cè)defaultvalue就是自動生成每一條等值線對應(yīng)的數(shù)值，一般用默認(rèn)即可。手動添加等值線的方法是：如果選algorithm，是以Step值為等差數(shù)列生成。如果選geom，則是以step為等比數(shù)列生成。num是生成的數(shù)目。如果只是添加比如0.3這一個數(shù)，只在start中寫0.3,step和num寫0就行了?？梢赃x擇一些等值線，然后點(diǎn)LineStyle選擇線的顏色、粗細(xì)、類型。繪制拉普拉斯等值線時注意，ver2.0的等值線默認(rèn)有正值和負(fù)值，大小是對稱的，正值等值線用在圖中默認(rèn)以黑色表示，負(fù)值等值線以綠色表示。如果是ver1.0，只有正值，負(fù)值需要手動添加。為了在等值線圖中顯示一些關(guān)鍵點(diǎn)，可以從右側(cè)Calculated列表中選擇幾個處于平面或平面附近的原子或cp加入Selected列表中。選擇一個或者按住shift選擇一批點(diǎn)，點(diǎn)PointStyle選擇在圖中表示的方式。9.2作梯度線圖同樣先定義平面，從右側(cè)Calculated列表中選擇感興趣的cp加入Selected列表中，注意往里面加入原子并不會在圖中引出 梯度線，必須加入的是相應(yīng)的(3,-3)點(diǎn)才行。與作等值線相同，在Selected列表中選擇一個或一些點(diǎn)，點(diǎn)PointStyle按鈕定義在圖中的表達(dá)方式。在Selected列表中選擇一些cp后，在PathStyle里選了GradientSource、includeSpecialPath就可以作出梯度線。PathStyle中numberoflines數(shù)量越多，引出的線越多，計算時間越長。Dista