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ASE原子模擬環(huán)境入門(mén)之結(jié)構(gòu)優(yōu)化: H2O

來(lái)源：時(shí)間：2022-12-16 16:40:21 瀏覽：2994次

我們來(lái)計(jì)算一下H2O分子的結(jié)構(gòu)

練習(xí)：創(chuàng)立一個(gè)Atoms對(duì)象來(lái)代表一個(gè)水分子，提供分子的化學(xué)符號(hào)，猜測(cè)沒(méi)各原子的位置。將它可視化，保證分子呈V字形。

練習(xí)：使用GPAW給這個(gè)猜測(cè)的H2O分子運(yùn)行一個(gè)自洽計(jì)算。

優(yōu)化器

我們接下來(lái)要優(yōu)化幾何構(gòu)型。ASE提供了幾種優(yōu)化算法，可以在配備求解器的atom上運(yùn)行:


from ase.optimize import BFGS
opt = BFGS(atoms, trajectory='opt.traj', logfile='opt.log')
opt.run(fmax=0.05)

練習(xí)：運(yùn)行一個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，計(jì)算H2O的平衡幾何構(gòu)型。

上面的trajectory關(guān)鍵字確保中間幾何構(gòu)型的軌跡被寫(xiě)入opt.traj。

練習(xí)：將輸出的軌跡可視化，并動(dòng)態(tài)地播放。用鼠標(biāo)拖動(dòng)選框選擇水分子的三個(gè)原子——這將顯示它們的夾角。H2O的H-O-H夾角是多少？

在ASE中，如果我們知道正確的語(yǔ)法，我們也可以通過(guò)編程來(lái)做事情:


from ase.io import read
atoms = read('opt.traj')
print(atoms.get_angle(0, 1, 2))
print(atoms.get_angle(2, 0, 1))
print(atoms.get_angle(1, 2, 0))

有關(guān)Atoms對(duì)象的文檔提供了一個(gè)很長(zhǎng)的方法列表。

G2分子數(shù)據(jù)集

ASE知道許多常見(jiàn)的分子，所以我們實(shí)際上不需要自己輸入所有的分子坐標(biāo)。就是這么幸運(yùn)，ase.build.molecule()函數(shù)做的正是我們需要的:


from ase.build import molecule
atoms = molecule('H2O', vacuum=3.0)

這個(gè)函數(shù)從G2測(cè)試集返回一個(gè)分子，如果我們能記住分子的確切名稱，這就很好了。如果我們沒(méi)有記住所有的分子名，我們使用G2測(cè)試集的更通用的模塊ase.collections.g2:

from ase.collections import g2

print(g2.names)  # These are the molecule name

satoms = g2['CH3CH2OH']

view(atoms)

view(g2)  # View all 162 systems

使用其它計(jì)算軟件

我們同樣可以使用其它計(jì)算軟件，通常是通過(guò)接口(sockets)來(lái)訪問(wèn)的，比如form ase.calculators.emt import EMT或from ase.calculators.aims import Aims。有關(guān)列表，請(qǐng)參見(jiàn)ase.calculators或運(yùn)行:


$ ase info --calculators

我們以計(jì)算軟件FHI-Aims為例。用戶自行安裝FHI-Aims。然后我們使用FHI-Aims來(lái)進(jìn)行同樣的弛豫計(jì)算。但在上面的列表中，Aims(可能)并不是可用的。我們首先需要告訴ASE如何運(yùn)行Aims。這意味著： 1)用于運(yùn)行Aims的命令；

2)在哪里可以找到有關(guān)的信息。我們可以通過(guò)在shell中設(shè)置環(huán)境變量來(lái)實(shí)現(xiàn):

$ export ASE_AIMS_COMMAND=aims.x

$ export AIMS_SPECIES_DIR=/home/alumne/software/FHIaims/species_defaults/light

ase info --calculators命令可以告訴我們，它認(rèn)為Aims可執(zhí)行文件名為aims.x

然而，如果我們打開(kāi)一個(gè)新的shell，它會(huì)忘記這一點(diǎn)。如果我們又不想在這些電腦上修改.bashrc文件，那么我們可以在Python腳本中設(shè)置這些變量:


import os
os.environ['ASE_AIMS_COMMAND'] = 'aims.x'
os.environ['AIMS_SPECIES_DIR'] = '/home/alumne/software/FHIaims/species_defaults/light'

練習(xí)：使用ASE調(diào)用FHI-Aims計(jì)算軟件運(yùn)行一個(gè)H2O結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算

要啟用力的計(jì)算，需要compute_forces=True。Aims需要一個(gè)明確給定的XC泛函，所以我們將xc='LDA'。xc關(guān)鍵字由幾個(gè)ASE計(jì)算器支持，可以更容易地指定常用的xc泛函。

運(yùn)行之后，會(huì)出現(xiàn)一下新的文件。ASE會(huì)先建立control.in和geometry.in，然后在這兩個(gè)輸入文件的基礎(chǔ)上運(yùn)行FHI-Aims，產(chǎn)生aims.out。一定要檢查一下這些文件。作為完美主義者和偏執(zhí)狂，我們當(dāng)然期望保證ASE設(shè)置的每一個(gè)參數(shù)都是我們所設(shè)想的。

大多數(shù)ASE計(jì)算器可以使用calc.write_input_file(atoms)生成一個(gè)文件，而不觸發(fā)計(jì)算。例如，如果您希望現(xiàn)在生成文件，但是以后運(yùn)行它們(無(wú)論是否使用ASE)，這是非常有用的。

ASE知道許多文件格式。ase.io.read()可以讀取輸入文件和輸出文件，并返回Atoms。這些文件也可以用ASE GUI直接打開(kāi)。

注意，默認(rèn)情況下，后續(xù)的計(jì)算將相互覆蓋。因此Aims輸入和輸出文件對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)弛豫的最后一步。ase.optimize的文檔會(huì)告訴我們，我們可以通過(guò)添加一個(gè)“觀察者”（observer）來(lái)阻止這種覆蓋的行為，或者使用更靈活的ase.optimize.Dynamics.irun()方法來(lái)強(qiáng)制將不同的步驟放到不同的目錄中。

附錄:計(jì)算器與代碼之間的通信

下面的知識(shí)對(duì)于正常使用ASE不是必要的。除非您對(duì)如何優(yōu)化ASE和外部計(jì)算器之間的通信感興趣，否則您可以跳過(guò)。

不同的計(jì)算器以不同的方式與計(jì)算代碼通信。GPAW是用Python編寫(xiě)的，因此ASE和GPAW運(yùn)行在同一個(gè)進(jìn)程中。然而，F(xiàn)HI-aims是一個(gè)單獨(dú)的程序。Aims計(jì)算器為我們所做的是生成一個(gè)輸入文件，運(yùn)行FHI-aims，讀取輸出，并返回結(jié)果。

我們剛做了一個(gè)涉及多個(gè)幾何步驟的弛豫。每一步都啟動(dòng)一個(gè)新的Aims流程，然后停止。這是低效的，因?yàn)橐粋€(gè)步驟的基態(tài)電荷密度和波函數(shù)將是下一個(gè)步驟的一個(gè)很好的初始猜測(cè)，降低了收斂所需的步驟數(shù)。但是當(dāng)程序終止時(shí)，這些量就丟失了。為了在結(jié)構(gòu)優(yōu)化和動(dòng)力學(xué)方面獲得最佳性能，我們需要避免這種效率損失。

許多ASE計(jì)算器支持更高級(jí)的通信方式。這些計(jì)算器可以通過(guò)管道(pipes)(Lammps, CP2K)或接口(sockets)(Siesta, Aims, Espresso)與持久外部進(jìn)程通信，或者它們可以通過(guò)直接庫(kù)調(diào)用(Lammpslib, GPAW)在同一進(jìn)程中工作。

ASE可以使用i-PI協(xié)議通過(guò)接口(sockets)與FHI-aims 通信(http://ipi-code.org/)。這是通過(guò)將計(jì)算器包裝在ase.calculators.socketio.SocketIOCalculator中來(lái)實(shí)現(xiàn)的。接口(sockets)計(jì)算器將使用它包裝的計(jì)算器來(lái)啟動(dòng)一個(gè)計(jì)算，然后運(yùn)行它。

關(guān)于接口(sockets)I/O計(jì)算器的文檔已經(jīng)提供了完整的示例，因此我們只需要稍作調(diào)整就可以在本地機(jī)器上運(yùn)行它們。

選做練習(xí)：給予我們剛才使用FHO-aim進(jìn)行弛豫計(jì)算的例子，寫(xiě)一段代碼使用ase.calculators.socketio.SocketIOCalculator運(yùn)行同樣的計(jì)算

你可以運(yùn)行python3 myscript.py來(lái)查看計(jì)算總共花了多長(zhǎng)時(shí)間。在接口(sockets)上運(yùn)行弛豫能得到多大的加速?INET接口(sockets)通常具有高延遲。如果你沒(méi)有看到太多的加速，這可能是原因。在這種情況下，嘗試切換到UNIX接口(sockets)。

接口(sockets)I/O計(jì)算器自動(dòng)生成一個(gè)輸入文件，并立即啟動(dòng)計(jì)算。因?yàn)樗粏?dòng)流程一次，所以后續(xù)步驟不會(huì)相互覆蓋，我們可以在aims.out中找到所有的中間步驟。

練習(xí)答案

GPAW優(yōu)化


from ase import Atoms
from ase.optimize import BFGS
from gpaw import GPAW
atoms = Atoms('HOH',positions=[[0, 0, -1], [0, 1, 0], [0, 0, 1]])
atoms.center(vacuum=3.0)
calc = GPAW(mode='lcao', basis='dzp', txt='gpaw.txt')
atoms.calc = calc
opt = BFGS(atoms, trajectory='opt.traj')
opt.run(fmax=0.05)

FHI-aims優(yōu)化


import os
from ase import Atoms
from ase.optimize import BFGS
from ase.calculators.aims import Aims
os.environ['ASE_AIMS_COMMAND'] = 'aims.x'
os.environ['AIMS_SPECIES_DIR'] = '/home/alumne/software/FHIaims/species_defaults/light'
atoms = Atoms('HOH',positions=[[0, 0, -1], [0, 1, 0], [0, 0, 1]])
calc = Aims(xc='LDA', compute_forces=True)
atoms.calc = calc
opt = BFGS(atoms, trajectory='opt-aims.traj')
opt.run(fmax=0.05)

FHI-aims/socket-io優(yōu)化

import os

from ase import Atoms

from ase.optimize import BFGS

from ase.calculators.aims import Aims

from ase.calculators.socketio import SocketIOCalculator

os.environ['ASE_AIMS_COMMAND'] = 'aims.x'

os.environ['AIMS_SPECIES_DIR'] = '/home/alumne/software/FHIaims/species_defaults/light'

atoms = Atoms('HOH',positions=[[0, 0, -1], [0, 1, 0], [0, 0, 1]])

opt = BFGS(atoms, trajectory='opt-aims-socketio.traj')

aims = Aims(xc='LDA',compute_forces=True,use_pimd_wrapper=('UNIX:mysocket', 31415))

with SocketIOCalculator(aims, unixsocket='mysocket') as calc:

    atoms.calc = calc

    opt.run(fmax=0.05)

計(jì)算狗·模擬計(jì)算

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