哈工大化學(xué)信息學(xué)課件之10-1量子化學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)CATALOGUE目錄量子化學(xué)計(jì)算概述量子化學(xué)計(jì)算的基本原理量子化學(xué)計(jì)算方法量子化學(xué)計(jì)算的應(yīng)用量子化學(xué)計(jì)算面臨的挑戰(zhàn)與未來發(fā)展量子化學(xué)計(jì)算軟件介紹量子化學(xué)計(jì)算概述010102量子化學(xué)計(jì)算的定義它涉及到分子軌道理論、薛定諤方程、密度矩陣、總電荷數(shù)、總自旋等多方面的理論。量子化學(xué)計(jì)算是利用量子力學(xué)原理和計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)分子和材料的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算模擬的方法。量子化學(xué)計(jì)算的重要性量子化學(xué)計(jì)算能夠預(yù)測(cè)分子的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，對(duì)于理解化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、設(shè)計(jì)新材料和藥物、優(yōu)化工業(yè)過程等具有重要意義。它能夠提供深入的分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)信息，為實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)應(yīng)用提供理論支持。量子力學(xué)理論的建立和發(fā)展為量子化學(xué)計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)50年代第一代量子化學(xué)計(jì)算軟件出現(xiàn)，如Gaussian、GAMESS等。20世紀(jì)70年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，第二代量子化學(xué)計(jì)算軟件出現(xiàn)，如CPMD、VASP等。20世紀(jì)90年代隨著高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展，量子化學(xué)計(jì)算在材料科學(xué)、藥物設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。21世紀(jì)量子化學(xué)計(jì)算的歷史與發(fā)展量子化學(xué)計(jì)算的基本原理02量子力學(xué)是描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)和相互作用的物理理論，其基本概念包括波粒二象性、量子態(tài)、測(cè)量和不確定性原理等。量子力學(xué)中的波函數(shù)可以描述微觀粒子的狀態(tài)，通過求解薛定諤方程可以得到微觀粒子的能量和波函數(shù)。量子力學(xué)基礎(chǔ)薛定諤方程是描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的偏微分方程，其形式為：HΨ=EΨ，其中H是哈密頓算子，E是能量，Ψ是波函數(shù)。薛定諤方程是量子力學(xué)的基本方程，通過求解該方程可以得到微觀粒子的能量和波函數(shù)。薛定諤方程近似方法量子化學(xué)計(jì)算中常用的近似方法包括：變分法、微擾法、耦合簇理論等。這些近似方法可以降低計(jì)算復(fù)雜度，提高計(jì)算效率，但也可能引入一定的誤差。密度泛函理論是一種計(jì)算電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的方法，其基本思想是將多電子系統(tǒng)的總能量表示為電子密度的函數(shù)。密度泛函理論在量子化學(xué)計(jì)算中應(yīng)用廣泛，可以用于計(jì)算分子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)性質(zhì)、反應(yīng)機(jī)理等。密度泛函理論量子化學(xué)計(jì)算方法03分子軌道法可以計(jì)算分子的電子密度分布、鍵級(jí)、鍵能等性質(zhì)，以及電子光譜和化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)等。分子軌道法通常采用高斯函數(shù)或波爾茲曼函數(shù)等基組展開分子波函數(shù)，通過變分法或迭代法求解薛定諤方程。分子軌道法是一種基于分子波函數(shù)的量子化學(xué)計(jì)算方法，通過求解薛定諤方程得到分子的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。分子軌道法

哈特里-?？朔椒ü乩?福克方法是另一種基于分子波函數(shù)的量子化學(xué)計(jì)算方法，通過求解哈特里-福克方程得到分子的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。哈特里-福克方法可以計(jì)算分子的總電荷數(shù)、總自旋磁矩、總角動(dòng)量等性質(zhì)，以及電子光譜和化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)等。哈特里-?？朔椒ㄍǔ２捎糜邢薏罘址ɑ蛴邢拊ǖ葦?shù)值方法求解哈特里-?？朔匠?。矩陣對(duì)角化方法矩陣對(duì)角化方法是基于矩陣的本征值和本征向量的計(jì)算方法，通過將矩陣對(duì)角化得到分子的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。矩陣對(duì)角化方法可以計(jì)算分子的電子能量、電子波函數(shù)、電子密度分布等性質(zhì)，以及化學(xué)鍵的性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的能壘等。矩陣對(duì)角化方法通常采用高斯變換或雅可比變換等數(shù)學(xué)方法進(jìn)行矩陣對(duì)角化。耦合簇方法是基于耦合簇理論的量子化學(xué)計(jì)算方法，通過構(gòu)建耦合簇模型得到分子的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。耦合簇方法可以計(jì)算分子的電子能量、電子密度分布、鍵能等性質(zhì)，以及化學(xué)鍵的性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的能壘等。耦合簇方法通常采用自洽場(chǎng)迭代或耦合簇迭代等數(shù)值方法進(jìn)行求解。耦合簇方法量子化學(xué)計(jì)算的應(yīng)用04通過量子化學(xué)計(jì)算，可以確定化學(xué)反應(yīng)的可能路徑，從而理解反應(yīng)機(jī)理。反應(yīng)路徑計(jì)算計(jì)算可以找到反應(yīng)過程中的能量最高點(diǎn)，即過渡態(tài)，這對(duì)于理解反應(yīng)速度和活化能至關(guān)重要。過渡態(tài)尋找化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究VS通過量子化學(xué)方法，可以計(jì)算出材料的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，如能帶結(jié)構(gòu)、電荷分布等。穩(wěn)定性預(yù)測(cè)通過計(jì)算，可以預(yù)測(cè)材料的穩(wěn)定性、熱力學(xué)性質(zhì)等，從而指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)和合成。電子結(jié)構(gòu)計(jì)算材料性質(zhì)預(yù)測(cè)通過量子化學(xué)計(jì)算，可以預(yù)測(cè)藥物分子與靶點(diǎn)之間的相互作用，從而預(yù)測(cè)藥物的活性?；谟?jì)算結(jié)果，可以對(duì)藥物分子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高其活性、降低副作用等?；钚灶A(yù)測(cè)優(yōu)化設(shè)計(jì)藥物設(shè)計(jì)量子化學(xué)計(jì)算面臨的挑戰(zhàn)與未來發(fā)展05實(shí)現(xiàn)多電子體系計(jì)算多電子體系是化學(xué)反應(yīng)中的重要研究對(duì)象，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)其的高精度計(jì)算是量子化學(xué)計(jì)算面臨的重要挑戰(zhàn)。考慮量子效應(yīng)在某些情況下，量子效應(yīng)對(duì)分子性質(zhì)有重要影響，如何在計(jì)算中考慮這些效應(yīng)也是當(dāng)前面臨的一大挑戰(zhàn)。精確模擬分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的模擬精度要求越來越高，需要發(fā)展高精度計(jì)算方法來滿足這一需求。高精度計(jì)算的需求03算法優(yōu)化與改進(jìn)針對(duì)大規(guī)模計(jì)算的需求，需要不斷優(yōu)化和改進(jìn)現(xiàn)有的量子化學(xué)計(jì)算算法，以提高計(jì)算效率和精度。01發(fā)展并行計(jì)算技術(shù)為了處理大規(guī)模的量子化學(xué)計(jì)算，需要發(fā)展并行計(jì)算技術(shù)，以提高計(jì)算效率。02利用高性能計(jì)算資源利用高性能計(jì)算機(jī)集群、超級(jí)計(jì)算機(jī)等資源進(jìn)行大規(guī)模的量子化學(xué)計(jì)算是未來的發(fā)展趨勢(shì)。大規(guī)模計(jì)算的實(shí)現(xiàn)123針對(duì)不同的研究對(duì)象和問題，開發(fā)更高效、更精確的量子化學(xué)計(jì)算算法是未來的研究重點(diǎn)。開發(fā)更高效的算法為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的量子化學(xué)計(jì)算，需要將現(xiàn)有算法進(jìn)行并行化和模塊化改造，以提高計(jì)算效率。算法的并行化與模塊化通過自動(dòng)生成和優(yōu)化算法，可以大大縮短算法的開發(fā)周期，提高算法的可靠性和精度。算法的自動(dòng)生成與優(yōu)化算法的優(yōu)化與改進(jìn)量子化學(xué)計(jì)算軟件介紹06Gaussian03/09廣泛使用的量子化學(xué)計(jì)算軟件，支持多種計(jì)算方法和優(yōu)化算法，適用于各種化學(xué)體系和計(jì)算精度要求。Gaussian16最新版本，增加了許多新功能和計(jì)算方法，支持更廣泛的化學(xué)體系和計(jì)算精度要求。GaussianView可視化軟件，可用于查看和編輯Gaussian輸入文件，以及可視化計(jì)算結(jié)果。Gaussian系列軟件03NWChem還支持多種輸入和輸出格式，方便與其他軟件進(jìn)行交互。01NWChem是一款高性能的量子化學(xué)計(jì)算軟件，支持多種計(jì)算方法和化學(xué)體系，具有高效并行計(jì)算能力。02NWChem提供了廣泛的化學(xué)模塊，包括分子動(dòng)力學(xué)模擬、量子力學(xué)計(jì)算、反應(yīng)路徑搜索等。NWChem軟件123Q-Chem是一