【材料-化学】专题合集：CP2k、gaussian、lammps、reaxff

CP2K是一款较为强大的AIMD计算程序，免费开源，可高效并行。由于CP2K在做DFT时可以速度非常快地计算成千上万个原子的体系，因此在大规模模拟体系中经常被一些学者用到。比如计算原子数达到一千原子，计算时间可达到纳秒级别，这是非常诱人的！！从CP2K官网可以看到，一些学者已经用它在一些高大上的期刊上发表了研究成果。

Gaussian是做半经验计算和从头计算使用最广泛的量子化学软件，可研究诸如分子轨道，结构优化，过渡态搜索，热力学性质，偶极矩和多极矩，电子密度和电势，极化率和超极化率，红外和拉曼光谱，NMR，垂直电离能和电子亲合能，化学反应机理，势能曲面和激发能 QM/MM计算等化学领域的许多课题。应用非常广泛，而且易于上手。

LAMMPS是一款经典的分子动力学软件，免费开源，可以模拟液态、固态或气态的粒子的系综。也可以采用不同的力场和边界条件来模拟全原子，聚合物，生物，固态（金属、陶瓷，氧化物），粒状和粗料化体系。LAMMPS可以计算的体系小至几个粒子，大到上百万甚至是上亿个粒子。同时lammps代码可以修改和扩展，可以方便的为之扩展上新特征和功能来匹配课题的个性化需求。

ReaxFF是新一代的分子力场，ReaxFF MD模拟方法已应用于复杂反应过程如热解、氧化、催化反应等反应机理的研究从而备受关注。这类过程不仅化学反应复杂、且伴随物理过程的变化，其模拟结果分析也具有挑战性。目前在材料科学中有着极大的应用前景，帮助设计和开发新材料。

专题一、CP2K从头算分子动力学模拟技术与应用

基础理论知识

高斯平面波混合方法(GAPW)

从头算分子动力学模拟原理（AIMD）

cp2k在ubuntu系统的安装

1. CP2K基础知识

1.1. Inp文件结构格式

1.2. Inp文件基本语法结合实例，讲解inp文件常用命令

1.3. 基组和赝势

1.4. CP2K重要关键词详解

2. CP2K程序实际计算过程

2.1. CP2K 基组赝势的选择和设定

2.2. CP2K优化方法：单点能的计算

2.3. 晶胞优化

2.4. 几何结构优化

2.5. 吸附分子体系的优化

2.6. 静态频率计算

2.7. VMD、VESTA可视化

案例分析：不同体系的结构优化（气液固）

3. CP2K程序计算过渡态

3.1. 过渡态计算、过渡态判据

3.2. 寻找过渡态方法，传统 PEB 方法

3.3. CI-NEB方法计算过渡态

案例分析：CO2的加氢模拟

4. CP2K程序计算态密度和能带

4.1. 态密度和能带形成的基本理论

4.2. 单原子催化剂，表面离子缺陷态，表面态，d带中心，催化吸附的轨道相互作用模型

4.3. CP2K的DOS后处理和pDOS计算分析

案例分析：WO3态密度研究

5. 从头算分子动力学计算

5.1. AIMD输入文件

5.2. 轨迹图的制作

5.3. 结构数据的后处理分析

5.4. 径向分布函数RDF

案例分析：液态水的AIMD模拟

6. 自由能势能面计算

6.1. 自由能势能面基础知识

6.2. Potential of mean force

6.3. Slow-growth

6.4. Metadynamics方法

6.5. 计算自由能势能面

案例分析：Au20/TiO2(110)AIMD模拟

7. 电子结构分析

7.1. CP2K计算电荷密度

7.2. 自旋密度

7.3. HOMO/LUMO分子轨道

7.4. 电荷密度差分

7.5. 平面平均的电荷密度

7.6. Bader 电荷

案例分析：QM/MM模拟KCl表面

8. 复现文献案例以及如何进行分析

8.1. 文献案例分析：

2d -硼片作为锂离子电池负极材料的可能应用:DFT和AIMD研究

8.2. 复杂体系的建模

8.3. Gromacs对CP2K的结果后处理

专题二、Gaussian量子化学计算技术与应用

理论计算化学理论及程序入门操作

1、理论计算化学简介

1.1 理论计算化学概述

1.2 HF理论及后HF方法(高精度量化方法)

1.3 密度泛函理论和方法

1.4 多种理论计算方法的优缺点及初步选择

1.5 基组及基组的选择

2、Gaussian及GaussView操作基础及应用

2.1 Gaussian及GV安装及设置（Win和Linux）

2.2 Gaussian基础知识及入门操作

2.3 GaussView使用及结构构建

2.4 Linux基本命令及Vi编辑器

2.5 构建Gaussian输入文件并提交任务

2.6 详细认识输入文件和输出文件（Win和Linux）

Gaussian基础操作及实际计算过程

3、Gaussian基础操作Ⅰ：

3.1 几何优化及稳定性初判

3.2 单点能的计算及取值

3.3 频率计算及分析

3.4 溶剂模型

4、Gaussian基础操作Ⅱ：

4.1 分子轨道、轨道能级

4.2 HOMO-LUMO 图输出

4.3 布居数分析、偶极矩等

4.4 电子密度

4.5 静电势计算及绘制（ESP）

Gaussian进阶操作及实际计算过程

5、Gaussian进阶操作I：——势能面相关

5.1 势能面扫描

5.2 过渡态搜索（TS和QTS）

5.3 反应路径IRC等

5.4 反应能垒

5.5 反应热力学数据获得：熵，焓，内能，零点能，吉布斯自由能的计算

6、Gaussian进阶操作II：——各类光谱计算及绘制

6.1 紫外光谱（吸收和荧光发射）

6.2 红外光谱

6.3 拉曼光谱

6.4 NMR计算

6.5 垂直电离能及垂直电子亲和能

7、Gaussian进阶操作III：——激发态专题

7.1 垂直激发能与绝热激发能

7.2 振子强度、

7.3 激发态势能面

7.4 激发态计算方法讨论

8、Gaussian进阶操作IV：——高精度和多尺度计算方法

8.1 CASSCF方法及使用

8.2 ONIOM方法及使用

8.3 溶剂模型、背景电荷与ONIOM方法的比较

Gaussian计算专题与实践应用（模拟文献）

9、Gaussian计算专题I——Gaussian常见报错及处理方法

9.1 如何查看报错及常见报错

9.2 SCF不收敛

9.3 几何优化不收敛（势能面扫描不收敛）

9.4 消除虚频等

10、Gaussian计算专题II——流行密度泛函特点及选择

10.1 B3LYP的优缺点10.2 PBE，CAM-B3LYP、wB97XD、M06-2X等特点及选择

11、Gaussian计算专题III——聚集诱导荧光（AIE）和激发态分子内质子转移（ESIPT）

11.1 晶体结构及分子建模

11.2 QM/MM与ONIOM计算

11.3 重整化能，圆锥交叉及质子转移

(文献：Dyes and Pigments Volume 204, August 2022, 110396 )

12、Gaussian计算专题IV——热激活延迟荧光(TADF)

12.1 看懂分子内能量转移Jablonski图

12.2 TADF与各类激发能

12.3 辐射速率、非辐射速率、（反）系间穿越等

12.4 评估荧光效率

（文献：ACS Materials Lett. 2022, 4, 3, 487–496 ）

专题三、LAMMPS分子动力学模拟技术与应用

LAMMPS基础入门

1 LAMMPS的基础入门——初识LAMMPS是什么？能干什么？怎么用？

1.1 LAMMPS在win10和ubuntu系统的安装及使用

1.2 in文件结构格式

1.3 in文件基本语法：结合实例，讲解in文件常用命令

1.4 data文件格式

1.5 LAMMPS常见错误解决途径

实例操作：运行并理解跟自己科研方向相近的例子。

LAMMPS进阶（石墨烯、金属材料模拟专题）
2 LAMMPS进阶实例操作，理解模拟对象的物理意义——从简单例子走向文献模型，举一反三提高学习效率

实例操作：

2.1 把剪切模型转换成拉伸模型

2.2 lattice命令石墨烯、金属、合金、高熵合金不同形状模型

2.3 石墨烯(不同力场)、金属、合金、高熵合金等拉伸剪切力学性质模拟

LAMMPS进阶（纳米流体模拟专题）

3 LAMMPS进阶实例操作，理解模拟对象的物理意义——从简单例子走向文献模型，举一反三提高学习效率

实例操作：

3.1 把二维couette和poiseuille流动扩展成三维模型

3.2 建立三维管道内的poiseuille流动

3.3 进行石墨烯通道内的Couette流动和Poiseuille流动模拟

3.4 调节通道表面电荷性质、亲疏水性质，分析其对流动性质的影响

3.5 学习使用packmol，建立复杂混合溶液体系模型

3.6 模拟KCl等盐溶液的纳米流体流动

LAMMPS进阶（热传导模拟专题）

4 LAMMPS进阶实例操作，理解模拟对象的物理意义——从简单例子走向文献模型，举一反三提高学习效率

实例操作：

4.1 理解导热系数意义

4.2 掌握lammps计算导热系数的几种方法

4.3 碳纳米管等导热系数的模拟计算

LAMMPS进阶（多成分体系模拟专题）

5 LAMMPS进阶实例操作，理解模拟对象的物理意义——从简单例子走向文献模型，举一反三提高学习效率

实例操作：

5.1 金属、合金、高熵合金的摩擦模拟

5.2 材料切削模拟

5.3 夹层结构(graphene/C60/graphene)在不同粗糙度条件下的摩擦模拟

LAMMPS进阶（金属、半导体材料的辐照模拟）

6 离子辐照对石墨烯、金属、碳化硅的离位损伤模拟

6.1 建立模拟体系的初始模型

6.2 PKA动能、位移随时间变化

6.3 点缺陷结构可视化 6.4 点缺陷的数量随时间变化

6.5 点缺陷的空间分布及演化过程

备选内容，根据课堂进度和学员情况

VMD、OVITO、msi2lmp等有机小分子建模，模型合并及模拟轨迹文件处理等

LAMMPS高级（自建分子力场参数文件和金属有机框架材料晶体模型）

7 LAMMPS分子力场文件创建及MOFs材料建模

7.1 介绍固体材料单晶包试验数据结构，掌握基本的材料几何特征

7.2 利用MS软件构建MOFs材料单晶包模型和H2和CO2分子模型

7.3 讲解分子作用势能函数，学习编写MS软件中的力场参数文件（off文件）

7.4 简单介绍巨正则系综Monte Carlo方法

7.5 利用Sorption模块将H2和CO2分子插入到MOFs材料

7.6 编写LAMMPS力场文件（frc文件），并通过lammps程序生成data文件

7.7 运行能量最小化及体系的预松弛

7.8 模拟步骤：包括能量最小化NVT平衡，对研究目标的性质进行长时间轨迹平衡-输出研究所关心的性质。

实例操作：金属有机框架（MOFs）储氢和碳捕集模拟，计算密度分布，分子的MSD等性质。

LAMMPS高级（分子筛纳米膜分离H2/CO2混合气体模拟）

8 研究H2/CO2在ZIF-7膜材料中分离性能——模拟文献Science 346 (6215), 1356-1359的分离过程

8.1 利用MS软件构建ZIF-7膜材料单晶包

8.2 设计H2/CO2与ZIF-7体系模型

8.3 自定义分子力场文件（frc文件），通过lammps程序生成data文件

8.4 运行能量最小化及体系的预松弛

8.5 模拟步骤：包括能量最小化NVT平衡，对研究目标的性质进行长时间轨迹平衡-输出研究所关心的性质。

实例操作：VMD中查看可视化的动态轨迹，计算密度分布，分子的MSD等，抽取轨迹的动能、势能、总能量等相关数据，对轨迹进行初步分析。

LAMMPS高级（ReaxFF碳氢化合物的燃烧）

9 利用ReaxFF模块研究碳氢化合物的燃烧

9.1 ReaxFF反应力场概述

9.2 碳氢化合物和氧气分子体系的构建

9.3 能量最小化及常温弛豫

9.4 升温模拟

9.5 高温下氧化过程的模拟

9.6 轨迹分析及产物物种分析与可视化

实例操作：碳氢化合物燃烧中升温模拟和高温下氧化过程模拟

LAMMPS高级（ReaxFF化学机械抛光）

10 利用ReaxFF模块研究化学机械抛光

10.1 利用 LAMMPS进行复杂体系的建模

10.2 能量最小化及预弛豫

10.3 施压过程模拟 10.4 拉伸过程模拟

10.5 采用 OVITO查看动态轨迹以及数据分析等

实例操作：化学机械抛光施压过程模拟和拉伸过程模拟

专题四、ReaxFF反应力场计算开发技术与应用

ReaxFF基础理论

1. ReaxFF反应力场概述

1.1. ReaxFF反应力场的发展历程和基础

1.2. ReaxFF反应力场参数分枝与详解

1.3. ReaxFF反应力场的应用领域

ReaxFF基础入门

2. ReaxFF反应力场基础入门

2.1. 所需输入重要文件详解包括 control, geo, ffield等文件

2.2. 结合实例，讲解输入文件命令行，输出文件

2.3. ReaxFF反应力场简单实例操作及结果查看

2.4. ReaxFF反应力场运行软件安装和配置(standalone ReaxFF,LAMMPS)

2.5. ReaxFF 反应力场的选取和准备

ReaxFF计算软件

3. 分子建模，可视与计算软件

3.1. 建模软件gview, material studio

3.2. 可视软件molden, VMD, OVITO

3.3. ReaxFF计算软件 standalone ReaxFF, LAMMPS

3.4 ReaxFF 特殊功能介绍：改变温度体积，产生特定比例混合物，设置电荷，限制优化和扫描，添加删除分子，结果查看和分析等

ReaxFF计算软件

4. Lammps实例操作

4.1. LAMMPS运行设置和后处理程序软件ChemTraYzer等的安装和配置

4.2. Lammps燃烧过程简单例子（模拟和分析）

4.3. LAMMPS高级算例：模拟化学摩擦过程（CMP）：建模，loading和shearing过程模拟，结果分析等

ReaxFF进阶实例

5. ReaxFF进阶实例操作，理解计算模拟的过程及物理意义

实例操作：溶液中的质子转移(JPCB,JPCL文献)

5.1. 建立初始模型：重点注意事项(minimization->nvt->compress->npt->nvt)

5.2. 输入文件设置, 开启输出unfolded坐标文件

5.3. 模拟步骤：能量最小化，压缩，系综平衡等

5.4. VMD查看结果分析：msd，扩散系数，rdf，sdf, 质子追踪等

ReaxFF进阶实例

实例操作：碳化硅表面石墨烯的生长（Chem. Mater文献）

5.5. 建模与输入文件，表面选取与准备

5.6. 热分解法生长石墨烯，删除表面硅

5.7. cvd法生长石墨烯，添加乙炔分子

5.8. 可视评估石墨烯质量（模拟结果统计与可视化）

ReaxFF高级实例

6. 量子化学软件CP2K入门

6.1. CP2K基本功能介绍

6.2. CP2K的下载和安装

6.3. CP2K的结构文件的建模

6.4. CP2K输入文件讲解和建立

6.5. CP2K输出文件介绍和可视化转化

ReaxFF高级实例

7. CP2K结构优化、过渡态搜索和力场开发实例

7.1. CP2K研究有机分子在固体表面的吸附

7.2. CP2K过渡态计算以及结构和能量提取

7.3. ReaxFF反应力场开发所需文件详解

7.4. 提取CP2K计算结果实现ReaxFF训练集的构建

7.5. ReaxFF力场验证

以上内容对此感兴趣的朋友可以作为参考