NTChem演習 第二部- 構造最適化 理化学研究所・計算科学研究機構
量子系分子科学研究チーム
田代 基慶

1

NTChemでの構造最適化機能• 基本的な構造最適化については「Dl-find」という外部で開発されたライブラリを利用• 一部の機能についてはNTChem独自の実装も（NEB）• HF,DFT,MP2で利用でき、スピン軌道相互作用を含む場合も可能

2

DL-Findを用いた構造最適化機能
オープンソースの構造最適化ライブラリ（ライセンス: LGPL）• ダウンロード: https://ccpforge.cse.rl.ac.uk/gf/project/dl-find/• 特徴：構造最適化のための手法が充実• NTChemのチュートリアルにも使い方の解説あり(チュートリアルはNTChem公式ホームページからダウンロード可能)
代表的な機能構造最適化に使用可能な座標系（入力はCartesian座標、構造最適化に用いる内部座標系にDL-FIND内で変換）• Cartesian座標(自由度の拘束も可: 点・直線・平面など)• 内部座標 (自由度の拘束も可)– Delocalized internal coordinates (DLCs, nonredundant internal coordinates)– Hybrid delocalized coordinates (HDLCs)– Total connection (DLC-TC/HDLC-TC)

3

DL-Findを用いた構造最適化機能
局所安定構造探索• L-BFGS (low memory quasi-Newton) for large systems (おすすめ)• Steepest descent• Conjugate gradient• Newton-Raphson/quasi-Newton (BFGS)• Damped dynamics
遷移状態構造探索• Nudged elastic band (NEB) 法→(弊チームで独自に開発したコードの方が性能が良く、そちらの利用がおすすめ)• Dimer method• Partitioned rational functional optimization (P-RFO)
数値Hessian計算に基づく振動解析

4化学反応経路探索法
反応経路探索:Nudged Elastic Band (NEB)法

始点と終点の間にimageを配置し、それらを仮想的なバネでつなぎ
最適化
始点と終点を結び、尤もらしい経路を選択する手法
NTChemでは各イメージ毎に計算するノードを分割することも可能(neb_mpi.exe):
並列計算向きな手法(Henkelman’s homepageより転載)
5

NTChem演習第二部(1)：概要• ntprepを使ってシクロヘキセンのDFT構造最適化計
算の入力ファイルを作成し、ジョブを実行する– 計算条件
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

分子座標の指定: xmol xyz形式ファイルcyclohexen.xyz
実行タスク種別の指定:安定構造最適化
電子状態理論レベルの指定: DFT
基底関数の選択：6-31G(d)電荷、スピン多重度の指定:全電荷0、1重項
分子軌道の型を選択：制限型(RKS)
交換・相関汎関数の指定: B3LYP汎関数
Fock行列Coulomb項計算方法の指定: 解析的積分計算
SCF計算の初期軌道の指定: NDDO法を利用
Mulliken電子密度解析：実行する
静電ポテンシャル解析実行の指定：実行しない
並列計算の条件指定：フラットMPI計算、2ノード使用
ジョブ実行時間の制限：30分

6NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(1) 分子座標ファイルの準備– 計算する分子座標ファイルをxmol xyz形式のファイルとして，作業ディレクトリ上に準備[uleo0003@ff02 ~]$ mkdir geom_opt[uleo0003@ff02 ~]$ cd geom_opt[uleo0003@ff02 geom_opt]$ cp/home1/gleo/share/ntchem/training/geom_opt/cyclohexene.xyz .

7

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(2) コマンドプロンプトからntprepを起動[CTRL]キー+Cでntprep実行を強制終了することが可能[uleo0003@ff02
geom_opt]$ /home1/share/NTChem/ntchem2013.6.1/scripts/ntprep
ntprep version 6.0
NTChem input file configuration utility
Copyright 2013-2015,
Computational Molecular Science Research Team,RIKEN Advanced Institute for Computational Science
Press CTRL-C to exit this utility
Enter the name of geometry file:8

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(3) 分子座標ファイルの指定計算を実行する対象のxmol xyz形式の分子座標ファイル名を入力[uleo0003@ff02
h2o_opt]$ /home1/share/NTChem/ntchem2013.6.1/scripts/ntprep
ntprep version 6.0
NTChem input file configuration utility
Copyright 2013-2015,
Computational Molecular Science Research Team,RIKEN Advanced Institute for Computational Science
Press CTRL-C to exit this utility
Enter the name of geometry file:
cyclohexene.xyz⏎ ⇚ “cyclohexene.xyz”をタイプ後[Enter]キーで確定

9

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(4) 入力ファイルの名前の指定
出力したいNTChem入力ファイル名を入力: デフォルト値=xyzファイルの名前

Enter the name of input file (default=cyclohexene):
cyclohexene_opt⏎ ⇚ “cyclohexene_opt”をタイプ後[Enter]キーで確定（注）デフォルト条件を指定する場合はそのまま[Enter]キーのみ押下してもOK

10

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(5) 実行タスク種別の指定
1.
2.
3.
4.

エネルギー計算(1点計算): デフォルト
エネルギー勾配計算
構造最適化計算ab initio 分子動力学計算

Select the type of task (default=energy):1)energy (default), 2)gradient, 3)optimize, 4)neb, 5)aimd,
3⏎ ⇚ 構造最適化計算を指定：“3”をタイプ後[Enter]キーで確定

11

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(6) 最適化構造を求める対象の指定
1.
2.

安定構造: デフォルト
遷移状態

Select the target of geometry optimization (default=minimum):1)minimum (default), 2)TS,1⏎ ⇚ 安定構造を指定：“1”をタイプ後[Enter]キーで確定

12

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(7) 電子状態理論レベルの指定
1.
2.
3.

Hatree-Fock法
密度汎関数(DFT)法: デフォルト
Møller-Plesset 2次摂動(MP2)法（注）構造最適化の場合はCoupled-cluster (CC)法は選択不可能
Select the quantum chemistry method (default=DFT):
1)HF, 2)DFT (default), 3)MP2,
2⏎ ⇚ DFT法を指定：“2”をタイプ後[Enter]キーで確定

13

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(8-1) 基底関数の指定
1.
2.

元素毎に基底関数を指定：デフォルト
あらかじめ準備した入力ファイルから指定 (Gaussian形式)

Select how to assign the basis set (default=element):
1)element (default), 2)card,1⏎ ⇚ 元素毎に基底関数を指定：“1”をタイプ後[Enter]キーで確定

14

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(8-2) 炭素の基底関数の指定指定したい基底関数の種類の番号を選択：デフォルト=Def2-SVP
1)card, 2)3-21++G, 3)3-21G, 4)6-31++G, 5)6-31++Gs, 6)6-31++Gss, 7)6-31+Gs,8)6-311++Gss, 9)6-311+Gs, 10)6-311G, 11)6-311Gs, 12)6-311Gss, 13)6-31G,
14)6-31Gs, 15)6-31Gss, 16)Ahlrichs_pVDZ, 17)Ahlrichs_TZV, 18)Ahlrichs_VDZ,19)Ahlrichs_VTZ, 20)ANO-RCC, 21)aug-cc-pCVDZ-DK, 22)aug-cc-pCVDZ,23)aug-cc-pCVQZ-DK, 24)aug-cc-pCVQZ, 25)aug-cc-pCVTZ-DK, 26)aug-cc-pCVTZ,
27)aug-cc-pV5Z-DK, 28)aug-cc-pVDZ-DK, 29)aug-cc-pVDZ, 30)aug-cc-pVQZ-DK,31)aug-cc-pVQZ, 32)aug-cc-pVTZ-DK, 33)aug-cc-pVTZ, 34)cc-pCVDZ, 35)cc-pCVQZ,
36)cc-pCVTZ, 37)cc-pV5Z-DK, 38)cc-pV5Z, 39)cc-pV6Z, 40)cc-pVDZ-DK, 41)cc-pVDZ,42)cc-pVQZ-DK, 43)cc-pVQZ, 44)cc-pVTZ-DK, 45)cc-pVTZ, 46)Def2-SV_P,
47)Def2-SVP (default), 48)Def2-SVPD, 49)Def2-TZVP, 50)Def2-TZVPD,51)Def2-TZVPP, 52)Def2-TZVPPD, 53)DZVP, 54)DZVP2, 55)LANL2DZ, 56)MINI,57)Sadlej_pVTZ, 58)Sapporo-DZP-2012+diffuse, 59)Sapporo-DZP-2012,60)Sapporo-QZP-2012+diffuse, 61)Sapporo-QZP-2012, 62)Sapporo-TZP-2012+diffuse,
63)Sapporo-TZP-2012, 64)STO-3G, 65)STO-6G, 66)SV, 67)SVP, 68)TZ_Dunning,69)TZVP_DFT_Orbital, 70)UGBS, 71)WTBS,
14⏎ ⇚ 6-31Gsを指定：“14”をタイプ後[Enter]キーで確定

15

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(8-3) 水素の基底関数の指定指定したい基底関数の種類の番号を選択: デフォルト=Def-2SVP
Select the basis set for H (default=Def2-SVP):
1)card, 2)3-21++G, 3)3-21G, 4)6-31++G, 5)6-31++Gs, 6)6-31++Gss, 7)6-31+Gs,8)6-311++Gss, 9)6-311G, 10)6-311Gs, 11)6-311Gss, 12)6-31G, 13)6-31Gs,
14)6-31Gss, 15)Ahlrichs_pVDZ, 16)Ahlrichs_VDZ, 17)Ahlrichs_VTZ, 18)ANO-RCC,19)aug-cc-pV5Z-DK, 20)aug-cc-pV5Z, 21)aug-cc-pVDZ-DK, 22)aug-cc-pVDZ,23)aug-cc-pVQZ-DK, 24)aug-cc-pVQZ, 25)aug-cc-pVTZ-DK, 26)aug-cc-pVTZ,27)cc-pV5Z-DK, 28)cc-pV5Z, 29)cc-pV6Z, 30)cc-pV8Z, 31)cc-pVDZ-DK, 32)cc-pVDZ,33)cc-pVQZ-DK, 34)cc-pVQZ, 35)cc-pVTZ-DK, 36)cc-pVTZ, 37)Def2-SV_P,
38)Def2-SVP (default), 39)Def2-SVPD, 40)Def2-TZVP, 41)Def2-TZVPD,42)Def2-TZVPP, 43)Def2-TZVPPD, 44)DZVP, 45)DZVP2, 46)LANL2DZ, 47)MINI,48)Sadlej_pVTZ, 49)Sapporo-DZP-2012+diffuse, 50)Sapporo-DZP-2012,51)Sapporo-QZP-2012+diffuse, 52)Sapporo-QZP-2012, 53)Sapporo-TZP-2012+diffuse,54)Sapporo-TZP-2012, 55)STO-3G, 56)STO-6G, 57)SV, 58)SVP, 59)TZ_Dunning,60)TZVP_DFT_Orbital, 61)UGBS,
13⏎ ⇚ 6-31Gsを指定：“13”をタイプ後[Enter]キーで確定

16

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(9) 相対論的ハミルトニアン(スカラー部分)の指定
1.
2.
3.
4.

非相対論的ハミルトニアン: デフォルト
3次Douglas-Kroll(DK3)ハミルトニアン
ZORAハミルトニアン
IORAハミルトニアン

Select the scalar relativistic Hamiltonian (default=none):1)none (default), 2)DK3, 3)ZORA, 4)IORA,
1⏎ ⇚ 非相対論的ハミルトニアンを指定：“1”をタイプ後[Enter]キーで確定

17

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(10) 分子の全電荷を指定
0: 電荷01: 電荷+1-1: 電荷-1

Define the total charge (default=0):0⏎ ⇚ 中性電荷(電荷0)を指定：“0”をタイプ後[Enter]キーで確定

18

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(11) 分子のスピン多重度を指定
1: 1重項2: 2重項3: 3重項Define the spin multiplicity (default=1):
1⏎ ⇚ 1重項を指定：“1”をタイプ後[Enter]キーで確定

19

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(12) 分子軌道の型を指定
1.
2.
3.
4.

閉殻系制限型 (RHF, RKS) : 1重項の場合はデフォルト
非制限型 (UHF, UKS) : 1重項以外の場合はデフォルト
開殻系制限型 (ROHF, ROKS)
拘束付非制限型 (CUHF, CUKS)

Select the type of SCF (default=Restricted):1)Restricted (default), 2)Unrestricted, 3)Restricted-Open,
4)Constrained-Unrestricted,
1⏎ ⇚ 閉殻系制限型を指定：“1”をタイプ後[Enter]キーで確定

20

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(13) 交換・相関汎関数を指定（DFT計算のみ）
1.
2.
3.
4.
5.

wB97XD汎関数：デフォルト
B97D汎関数
B3LYP汎関数
PBE0汎関数
上記以外の汎関数

Select the DFT exchange-correlation functional (default=WB97XD):
1)WB97XD (default), 2)B97D, 3)B3LYP, 4)PBE0, 5)more, ,3⏎ ⇚ B3LYP汎関数を指定：“3”をタイプ後[Enter]キーで確定

21

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(14) SCF計算の際のFock行列の2電子Coulomb項の計算法の選択を指定
1.
2.

解析的計算
Resolution of the identity近似計算

Select the method for evaluation of Coulomb contribution in SCF(default=Analy):1)Analy (default), 2)RI,
1⏎ ⇚ 解析的計算を指定：“1”をタイプ後[Enter]キーで確定

22

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(15) SCF計算の初期軌道を指定
1.
2.
3.
4.

NDDO法
Huckel法
分子軌道(MO)をファイルから読み込み
密度行列をファイルから読み込み

Select the SCF initial guess (default=NDDO):
1)NDDO (default), 2)Huckel, 3)ReadMO, 4)ReadDens,
1⏎ ⇚ NDDO法を指定：“1”をタイプ後[Enter]キーで確定

23

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(16) Mulliken電子密度解析実行を指定
1. 実行する：デフォルト
2. 実行しない
注）分子軌道を出力する場合もYesを選択

Calculate the Mulliken population (default=Yes):
1)Yes (default), 2)No,1⏎ ⇚ Mulliken電子密度解析を実行するを指定：“1”をタイプ後[Enter]キーで確定

24

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(17) 静電ポテンシャル解析実行を指定
1.
2.

実行する
実行しない：デフォルト

Calculate the electrostatic potential (default=No):
1)Yes, 2)No (default),2⏎ ⇚ 静電ポテンシャル解析を実行しないを指定：“2”をタイプ後[Enter]キーで確定

25

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(18-1) 並列計算実行を指定
1.
2.

実行する：デフォルト
実行しない

Perform the parallel calculation (default=Yes):
1)Yes (default), 2)No,1⏎ ⇚ 並列計算を実行するを指定：“1”をタイプ後[Enter]キーで確定

26

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(18-2) 並列計算のタイプを指定（18-1でYesを選択した場合のみ）
1.
2.

フラットMPI並列計算：Focus、RCCSでデフォルト
MPI/OpenMPハイブリッド並列計算：京でデフォルト

Select parallel type (default=mpi):
1)mpi (default), 2)mpiomp,
1⏎ ⇚ フラットMPI並列計算を実行するを指定：“1”をタイプ後[Enter]キーで確定

27

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(18-3) 並列計算で用いるノード数を指定（18-1でYesを選択した場合のみ）
デフォルト：2ノード使用
Define the number of nodes used for parallel calculation (default=2):2⏎ ⇚ 2ノード使用するを指定：“2”をタイプ後[Enter]キーで確定

28

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(19) ジョブ制限時間をhh:mm:ss形式で指定
Focusでのデフォルト制限時間：24時間

Define the job time limit in hh:mm:ss (default=24:00:00):
0:30:00⏎ ⇚ ジョブ制限時間を30分に指定：“0:30:00”をタイプ後[Enter]キーで確定

29

NTChem演習第二部(1): 入力ファイル作成(20) ntprep実行サマリーの表示
以下の表示が出ていれば、ntprepの実行に成功< Summary of NTChem input file & script file generation >Geometry file: cyclohexene.xyz
NTChem input file: cyclohexene_opt.inp
NTChem job script file: cyclohexene_opt.bash
Type of task: optimize
Initial guess: nddo
Quantum chemistry theory: RDFT
Total charge: 0
Spin multiplicity: 1
Scalar relativistic Hamiltonian:Spin-orbit relativistic Hamiltonian:
Exchange-correlation functional: B3LYP
Exchange-correlation functional type: hybrid
Machine type: focus_d
Parallel type: mpi
MPI command: mpirun -hostfile ${NODEFILE} -np ${nprocs}
MPI command pernode:
Binary directory: /home1/share/NTChem/ntchem2013.6.1/bin/impi/mpi
Number of nodes: 2
Job time limit: 0:06:00
Input geometry (Angstrom)
16C
0.000000000000
C
1.337000000000
C
2.171000000000.. 以下省略-0.004000000000-0.004000000000
1.255000000000-0.007000000000
0.007000000000-0.002000000000

30NTChem演習第二部(1): 入力ファイル確認(21) ntprep実行により生成されたファイルの確認
lsコマンドを実行し、以下の4つファイルが存在するか確認••••

cyclohexene_opt.bash: ジョブ投入用スクリプト
cyclohexene_opt_grad.bash: ジョブ実行補助スクリプト
cyclohexene_opt.inp: 入力データファイル
cyclohexene_opt_guess.inp: 入力データファイル(初期MO計算用)•*.bashスクリプトが２つ生成されているのに注意[uleo0003@ff02 geom_opt]$ ls
cyclohexene.xyz cyclohexene_opt.bash cyclohexene_opt.inp cyclohexene_opt_grad.bash
cyclohexene_opt_guess.inp

31

NTChem演習第二部(1)：ジョブ実行(22) Focus Dシステムへのジョブ投入• ntprepを使ってできたジョブスクリプトファイル”cyclohexene_opt.bash”をジョブ投入コマンドでキューに投入して実行– sbatch cyclohexene_opt.bash(注) cyclohexene_opt_grad.bashを指定しないで下さい！
• ジョブ実行状況の確認– squeue• ジョブのキャンセル– scancel ジョブID[uleo0003@ff02 geom_opt]$ sbatch cyclohexene_opt.bash
Submitted batch job 292071[uiud0010@ff01 geom_opt]$ squeue
JOBID PARTITIONNAMEUSER ST
TIME NODES NODELIST(REASON)
292071g006m cyclohex uiud0010 PD
0:00
2 (InvalidQOS)[ulez0003@ff02 geom_opt]$ squeue
JOBID PARTITIONNAMEUSER ST
TIME NODES NODELIST(REASON)

32

NTChem演習第二部(1):出力ファイルの確認• ジョブ終了後以下のファイルがディレクトリにあることを確認– 標準出力ファイル: cyclohexene_opt_${ジョブID}.o– 標準エラー出力: cyclohexene_opt_${ジョブID}.e– 最適化構造のxmol xyzファイル: cyclohexene_opt.xyz– 最適化構造のGeomファイル: cyclohexene_opt.Geom– 収束したMOファイル： cyclohexene_opt.conv.MO– 収束した密度ファイル： cyclohexene_opt.conv.Dens[uleo0003@ff02 h2o_opt]$ ls
cyclohexene_opt.Geom cyclohexene_opt.conv.Dens cyclohexene_opt.inp cyclohexene_opt_292071.e
cyclohexene_opt_grad.bash cyclohexene_opt.bash cyclohexene_opt.conv.MO cyclohexene.xyz cyclohexene_opt.xyz
cyclohexene_opt_292071.o cyclohexene_opt_guess.inp

33

NTChem演習第二部(1):出力ファイルの確認• 出力ファイル”cyclohexene_opt_${ジョブID}.o”を読み以下の項目の結果を確認– 構造最適化計算の収束状況：” Converged”を検索– 全エネルギー: “Converged”を検索– 軌道エネルギー、MO: “Orbital energies”を検索– Mulliken電子密度: “Mulliken gross atomic population”を検索– 双極子モーメント: “Dipole moment”を検索

34

出力ファイルの見方： 構造最適化計算結果
構造最適化計算の収束状況：出力ファイルの3090行目付近+++++ Total energy gradient +++++
1
0.00006597
0.00010934 -0.00009637
2 -0.00001520
0.00009339
0.00009770
3 -0.00004148 -0.00002144 -0.00000808
40.00007142
0.00000983
0.00001528
50.00002936
0.00001538
0.00003914
60.00001738 -0.00001284 -0.00003852
7 -0.00003681 -0.00001703
0.00002019
8 -0.00008365 -0.00006152 -0.00006977
90.00002693 -0.00004450
0.00003921
10 -0.00005850 -0.00000636
0.00000778
11 -0.00001514 -0.00004367 -0.00001638
120.00007427
0.00000227 -0.00002571
13 -0.00000085
0.00003998
0.00001933
14 -0.00001525 -0.00003404
0.00002280
150.00000801 -0.00006604 -0.00000429
16 -0.00002645
0.00003722 -0.00000230
Program
SCFGrad finish. Total CPU time :2.60 seconds-------------------------------------------------------------------------------MPI has been terminatedEnergy calculation finished, energy: -2.346439762E+02
Wolfe conditions fulfilled, increasing trust radius
Testing convergence in cycle 6
Energy 3.0295E-07 Target: 1.0000E-06 converged? yes
Max step 2.1624E-04 Target: 1.8000E-03 converged? yes component
RMS step 9.3127E-05 Target: 1.2000E-03 converged? yes
Max grad 1.0934E-04 Target: 4.5000E-04 converged? yes component
RMS grad 4.5832E-05 Target: 3.0000E-04 converged? yes
Converged!
converged
DL-FIND Report:===============
Optimisation algorithm: L-BFGS
Number of steps in L-BFGS memory ...............

10
2

48

35

最適化構造のxmol xyzファイル
最適化構造のxmol xyzファイル: cyclohexene_opt.xyz
16
C -0.0002223 -0.0036869 -0.0066750
C 1.3369120 -0.0037190 0.0066626
C 2.1710598 1.2546266 -0.0017425
C -0.8346833 1.2545946 0.0017482
H -0.5361693 -0.9522611 -0.0210889
H 1.8731436 -0.9522047 0.0210898
H 3.0091777 1.1390223 -0.7031498
H 2.6351610 1.3921601 0.9881299
H -1.2990799 1.3921346 -0.9880839
H -1.6730197 1.1390174 0.7031212
C 1.3406009 2.4949584 -0.3700136
C -0.0042089 2.4949740 0.3699672
H 1.1540141 2.4959451 -1.4530853
H 1.9052107 3.4083067 -0.1459822
H -0.5689892 3.4081831 0.1459909
H 0.1820927 2.4959487 1.4531113

36

NTChem演習第二部(2)：概要• ntprepを使って ブタジエン+エチレン シクロヘキセンのNEB計算の入力ファイルを作成・編集、ジョブを実行
注：ntprepで生成されるのは我々が開発したNEB用のインプットで、
dl-findによるneb計算は手での編集が必要– 計算条件
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

分子座標の指定: xmol xyz形式ファイルcyclohexen.xyz
実行タスク種別の指定:NEB反応経路探索
電子状態理論レベルの指定: DFT
基底関数の選択：6-31G(d)電荷、スピン多重度の指定:全電荷0、1重項
分子軌道の型を選択：制限型(RKS)
交換・相関汎関数の指定: B3LYP汎関数
Fock行列Coulomb項計算方法の指定: 解析的積分計算
SCF計算の初期軌道の指定: NDDO法を利用
Mulliken電子密度解析：実行する
静電ポテンシャル解析実行の指定：実行しない
並列計算の条件指定：フラットMPI計算、2ノード使用
ジョブ実行時間の制限：30分

37NTChem演習第二部(2)：概要• ntprepを使って ブタジエン+エチレン シクロヘキセンのNEB計算の入力ファイルを作成・編集、ジョブを実行– ntprep入力以外に必要な操作• 分子座標の指定: Geom形式ファイルcyclohexen.Geom_First, cyclohexen.Geom_Last– 先に構造最適化ジョブを始点・終点について行いそれぞれのGeomファイルを取得・名前変更• Bash script, inp, guess.inp ファイルの編集– 現状そのままでは上手く動かないので手作業で編集が必要• リスタート用Geomファイルの用意– 計算に時間が掛かるので、今回は既に途中まで計算した結果からリスタート

38

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(1) 分子座標ファイルの準備– 計算する分子座標ファイルをxmol xyz形式のファイルとして，作業ディレクトリ上に準備[uleo0003@ff02 ~]$ mkdir neb[uleo0003@ff02 ~]$ cd neb[uleo0003@ff02 neb]$ cp /home1/gleo/share/ntchem/training/neb/cyclohexene.xyz .

39

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(2) コマンドプロンプトからntprepを起動[CTRL]キー+Cでntprep実行を強制終了することが可能[uleo0003@ff02
geom_opt]$ /home1/share/NTChem/ntchem2013.6.1/scripts/ntprep
ntprep version 6.0
NTChem input file configuration utility
Copyright 2013-2015,
Computational Molecular Science Research Team,RIKEN Advanced Institute for Computational Science
Press CTRL-C to exit this utility
Enter the name of geometry file:40

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(3) 分子座標ファイルの指定計算を実行する対象のxmol xyz形式の分子座標ファイル名を入力[uleo0003@ff02 neb]$ /home1/share/NTChem/ntchem2013.6.1/scripts/ntprep
ntprep version 6.0
NTChem input file configuration utility
Copyright 2013-2015,
Computational Molecular Science Research Team,RIKEN Advanced Institute for Computational Science
Press CTRL-C to exit this utility
Enter the name of geometry file:
cyclohexene.xyz⏎ ⇚ “cyclohexene.xyz”をタイプ後[Enter]キーで確定

41

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(4) 入力ファイルの名前の指定
出力したいNTChem入力ファイル名を入力: デフォルト値=xyzファイルの名前

Enter the name of input file (default=cyclohexene):
cyclohexene_neb⏎ ⇚ “cyclohexene_neb”をタイプ後[Enter]キーで確定（注）デフォルト条件を指定する場合はそのまま[Enter]キーのみ押下してもOK

42

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(5-1) 実行タスク種別の指定
1.
2.
3.
4.

エネルギー計算(1点計算): デフォルト
エネルギー勾配計算
構造最適化計算ab initio 分子動力学計算

Select the type of task (default=energy):1)energy (default), 2)gradient, 3)optimize, 4)neb, 5)aimd,
4⏎ ⇚ NEBを指定：“4”をタイプ後[Enter]キーで確定

43

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(5-2) NEB計算リスタート指定
1.
2.

リスタート
最初から(default)

Restart NEB calculations? (default=No):
1)Yes, 2)No (default),2⏎ ⇚ 最初から：“2”をタイプ後[Enter]キーで確定

44

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(6) 電子状態理論レベルの指定
1.
2.
3.

Hatree-Fock法
密度汎関数(DFT)法: デフォルト
Møller-Plesset 2次摂動(MP2)法（注）NEBの場合はCoupled-cluster (CC)法は選択不可能
Select the quantum chemistry method (default=DFT):
1)HF, 2)DFT (default), 3)MP2,
2⏎ ⇚ DFT法を指定：“2”をタイプ後[Enter]キーで確定

45

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(7-1) 基底関数の指定
1.
2.

元素毎に基底関数を指定：デフォルト
あらかじめ準備した入力ファイルから指定 (Gaussian形式)

Select how to assign the basis set (default=element):
1)element (default), 2)card,1⏎ ⇚ 元素毎に基底関数を指定：“1”をタイプ後[Enter]キーで確定

46

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(7-2) 炭素の基底関数の指定指定したい基底関数の種類の番号を選択：デフォルト=Def2-SVP
1)card, 2)3-21++G, 3)3-21G, 4)6-31++G, 5)6-31++Gs, 6)6-31++Gss, 7)6-31+Gs,8)6-311++Gss, 9)6-311+Gs, 10)6-311G, 11)6-311Gs, 12)6-311Gss, 13)6-31G,
14)6-31Gs, 15)6-31Gss, 16)Ahlrichs_pVDZ, 17)Ahlrichs_TZV, 18)Ahlrichs_VDZ,19)Ahlrichs_VTZ, 20)ANO-RCC, 21)aug-cc-pCVDZ-DK, 22)aug-cc-pCVDZ,23)aug-cc-pCVQZ-DK, 24)aug-cc-pCVQZ, 25)aug-cc-pCVTZ-DK, 26)aug-cc-pCVTZ,
27)aug-cc-pV5Z-DK, 28)aug-cc-pVDZ-DK, 29)aug-cc-pVDZ, 30)aug-cc-pVQZ-DK,31)aug-cc-pVQZ, 32)aug-cc-pVTZ-DK, 33)aug-cc-pVTZ, 34)cc-pCVDZ, 35)cc-pCVQZ,
36)cc-pCVTZ, 37)cc-pV5Z-DK, 38)cc-pV5Z, 39)cc-pV6Z, 40)cc-pVDZ-DK, 41)cc-pVDZ,42)cc-pVQZ-DK, 43)cc-pVQZ, 44)cc-pVTZ-DK, 45)cc-pVTZ, 46)Def2-SV_P,
47)Def2-SVP (default), 48)Def2-SVPD, 49)Def2-TZVP, 50)Def2-TZVPD,51)Def2-TZVPP, 52)Def2-TZVPPD, 53)DZVP, 54)DZVP2, 55)LANL2DZ, 56)MINI,57)Sadlej_pVTZ, 58)Sapporo-DZP-2012+diffuse, 59)Sapporo-DZP-2012,60)Sapporo-QZP-2012+diffuse, 61)Sapporo-QZP-2012, 62)Sapporo-TZP-2012+diffuse,
63)Sapporo-TZP-2012, 64)STO-3G, 65)STO-6G, 66)SV, 67)SVP, 68)TZ_Dunning,69)TZVP_DFT_Orbital, 70)UGBS, 71)WTBS,
14⏎ ⇚ 6-31Gsを指定：“14”をタイプ後[Enter]キーで確定

47

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(7-3) 水素の基底関数の指定指定したい基底関数の種類の番号を選択: デフォルト=Def-2SVP
Select the basis set for H (default=Def2-SVP):
1)card, 2)3-21++G, 3)3-21G, 4)6-31++G, 5)6-31++Gs, 6)6-31++Gss, 7)6-31+Gs,8)6-311++Gss, 9)6-311G, 10)6-311Gs, 11)6-311Gss, 12)6-31G, 13)6-31Gs,
14)6-31Gss, 15)Ahlrichs_pVDZ, 16)Ahlrichs_VDZ, 17)Ahlrichs_VTZ, 18)ANO-RCC,19)aug-cc-pV5Z-DK, 20)aug-cc-pV5Z, 21)aug-cc-pVDZ-DK, 22)aug-cc-pVDZ,23)aug-cc-pVQZ-DK, 24)aug-cc-pVQZ, 25)aug-cc-pVTZ-DK, 26)aug-cc-pVTZ,27)cc-pV5Z-DK, 28)cc-pV5Z, 29)cc-pV6Z, 30)cc-pV8Z, 31)cc-pVDZ-DK, 32)cc-pVDZ,33)cc-pVQZ-DK, 34)cc-pVQZ, 35)cc-pVTZ-DK, 36)cc-pVTZ, 37)Def2-SV_P,
38)Def2-SVP (default), 39)Def2-SVPD, 40)Def2-TZVP, 41)Def2-TZVPD,42)Def2-TZVPP, 43)Def2-TZVPPD, 44)DZVP, 45)DZVP2, 46)LANL2DZ, 47)MINI,48)Sadlej_pVTZ, 49)Sapporo-DZP-2012+diffuse, 50)Sapporo-DZP-2012,51)Sapporo-QZP-2012+diffuse, 52)Sapporo-QZP-2012, 53)Sapporo-TZP-2012+diffuse,54)Sapporo-TZP-2012, 55)STO-3G, 56)STO-6G, 57)SV, 58)SVP, 59)TZ_Dunning,60)TZVP_DFT_Orbital, 61)UGBS,
13⏎ ⇚ 6-31Gsを指定：“13”をタイプ後[Enter]キーで確定

48

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(8) 相対論的ハミルトニアン(スカラー部分)の指定
1.
2.
3.
4.

非相対論的ハミルトニアン: デフォルト
3次Douglas-Kroll(DK3)ハミルトニアン
ZORAハミルトニアン
IORAハミルトニアン

Select the scalar relativistic Hamiltonian (default=none):1)none (default), 2)DK3, 3)ZORA, 4)IORA,
1⏎ ⇚ 非相対論的ハミルトニアンを指定：“1”をタイプ後[Enter]キーで確定

49

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(9) 分子の全電荷を指定
0: 電荷01: 電荷+1-1: 電荷-1

Define the total charge (default=0):0⏎ ⇚ 中性電荷(電荷0)を指定：“0”をタイプ後[Enter]キーで確定

50

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(10) 分子のスピン多重度を指定
1: 1重項2: 2重項3: 3重項Define the spin multiplicity (default=1):
1⏎ ⇚ 1重項を指定：“1”をタイプ後[Enter]キーで確定

51

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(11) 分子軌道の型を指定
1.
2.
3.
4.

閉殻系制限型 (RHF, RKS) : 1重項の場合はデフォルト
非制限型 (UHF, UKS) : 1重項以外の場合はデフォルト
開殻系制限型 (ROHF, ROKS)
拘束付非制限型 (CUHF, CUKS)

Select the type of SCF (default=Restricted):1)Restricted (default), 2)Unrestricted, 3)Restricted-Open,
4)Constrained-Unrestricted,
1⏎ ⇚ 閉殻系制限型を指定：“1”をタイプ後[Enter]キーで確定

52

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(12) 交換・相関汎関数を指定（DFT計算のみ）
1.
2.
3.
4.
5.

wB97XD汎関数：デフォルト
B97D汎関数
B3LYP汎関数
PBE0汎関数
上記以外の汎関数

Select the DFT exchange-correlation functional (default=WB97XD):
1)WB97XD (default), 2)B97D, 3)B3LYP, 4)PBE0, 5)more, ,3⏎ ⇚ B3LYP汎関数を指定：“3”をタイプ後[Enter]キーで確定

53

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(13) SCF計算の際のFock行列の2電子Coulomb項の計算法の選択を指定
1.
2.

解析的計算
Resolution of the identity近似計算

Select the method for evaluation of Coulomb contribution in SCF(default=Analy):1)Analy (default), 2)RI,
1⏎ ⇚ 解析的計算を指定：“1”をタイプ後[Enter]キーで確定

54

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(14) SCF計算の初期軌道を指定
1.
2.
3.
4.

NDDO法
Huckel法
分子軌道(MO)をファイルから読み込み
密度行列をファイルから読み込み

Select the SCF initial guess (default=NDDO):
1)NDDO (default), 2)Huckel, 3)ReadMO, 4)ReadDens,
1⏎ ⇚ NDDO法を指定：“1”をタイプ後[Enter]キーで確定

55

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(15) Mulliken電子密度解析実行を指定
1. 実行する：デフォルト
2. 実行しない
注）分子軌道を出力する場合もYesを選択

Calculate the Mulliken population (default=Yes):
1)Yes (default), 2)No,1⏎ ⇚ Mulliken電子密度解析を実行するを指定：“1”をタイプ後[Enter]キーで確定

56

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(16) 静電ポテンシャル解析実行を指定
1.
2.

実行する
実行しない：デフォルト

Calculate the electrostatic potential (default=No):
1)Yes, 2)No (default),2⏎ ⇚ 静電ポテンシャル解析を実行しないを指定：“2”をタイプ後[Enter]キーで確定

57

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(17-1) 並列計算実行を指定
1.
2.

実行する：デフォルト
実行しない

Perform the parallel calculation (default=Yes):
1)Yes (default), 2)No,1⏎ ⇚ 並列計算を実行するを指定：“1”をタイプ後[Enter]キーで確定

58

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(17-2) 並列計算のタイプを指定（17-1でYesを選択した場合のみ）
1.
2.

フラットMPI並列計算：Focus、RCCSでデフォルト
MPI/OpenMPハイブリッド並列計算：京でデフォルト

Select parallel type (default=mpi):
1)mpi (default), 2)mpiomp,
1⏎ ⇚ フラットMPI並列計算を実行するを指定：“1”をタイプ後[Enter]キーで確定

59

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(17-3) 並列計算で用いるノード数を指定（17-1でYesを選択した場合のみ）
デフォルト：2ノード使用
Define the number of nodes used for parallel calculation (default=2):2⏎ ⇚ 2ノード使用するを指定：“2”をタイプ後[Enter]キーで確定

60

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(18) ジョブ制限時間をhh:mm:ss形式で指定
Focusでのデフォルト制限時間：24時間

Define the job time limit in hh:mm:ss (default=24:00:00):
0:30:00⏎ ⇚ ジョブ制限時間を30分に指定：“0:30:00”をタイプ後[Enter]キーで確定

61

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル作成(19) ntprep実行サマリーの表示
以下の表示が出ていれば、ntprepの実行に成功< Summary of NTChem input file & script file generation >Geometry file: cyclohexene.xyz
NTChem input file: cyclohexene_neb.inp
NTChem job script file: cyclohexene_neb.bash
Type of task: neb
Initial guess: nddo
Quantum chemistry theory: RDFT
Total charge: 0
Spin multiplicity: 1
Scalar relativistic Hamiltonian:Spin-orbit relativistic Hamiltonian:
Exchange-correlation functional: B3LYP
Exchange-correlation functional type: hybrid
Machine type: focus_g
Parallel type: mpi
MPI command: mpirun -hostfile ${NODEFILE} -np ${nprocs}
MPI command pernode:
Binary directory: /home1/share/NTChem/ntchem2013.6.1/bin/impi/mpi
Number of nodes: 2
Job time limit: 0:05:00
Input geometry (Angstrom)
16
C-0.092000000000
C
1.350000000000
C
2.140000000000.. 以下省略-0.038000000000-0.047000000000
1.029000000000-0.096000000000
0.188000000000
0.311000000000

62NTChem演習第二部(2): 入力ファイル確認(20) ntprep実行により生成されたファイルの確認
lsコマンドを実行し、以下の4つファイルが存在するか確認••••

cyclohexene_neb.bash: ジョブ投入用スクリプト
cyclohexene_neb_grad.bash: ジョブ実行補助スクリプト  今回は利用しません
cyclohexene_neb.inp: 入力データファイル
cyclohexene_neb_guess.inp: 入力データファイル(初期MO計算用)• 上記ファイルをエディタで編集します63NTChem演習第二部(2) : 入力ファイル編集
cyclohexene_neb.bash: ジョブ投入用スクリプトの編集(vi,emacs etc )35,36行目$mpirun_pernode cp -p $curdir/cyclohexene_neb.Geom_First .
$mpirun_pernode cp -p $curdir/cyclohexene_neb.Geom_Last .
$mpirun_pernode cp -p $curdir/cyclohexene_neb.Geom* .
#$mpirun_pernode cp -p $curdir/cyclohexene_neb.Geom_Last .

44,45行目（二箇所）$bindir/neb.exe$mpirun $bindir/neb_mpi.exe

64NTChem演習第二部(2): 入力ファイル編集
cyclohexene_neb_guess.inp: 初期MO用スクリプトの編集変更&neb
MaxIter=0, Restart=F,/&neb
MaxIter=0, Restart=T, nimage=9/&scfgrad
Grad=T, CoulDType='analy', ExchDType='analy',/65

NTChem演習第二部(2): 入力ファイル編集
cyclohexene_neb.inp: NEB計算スクリプトの編集
追加&nebparallel
NCorePerImage=40,
/

変更
&neb
Restart=F,/&neb
Restart=T, nimage=9, Refine_Edge=T,/

66&dftd3
Energy=F, Grad=F,/

NTChem演習第二部(2): Geom座標ファイルの用意(1) Geom形式での始点・終点座標ファイル
cyclohexene.Geom_First, cyclohexene.Geom_Lastファイルを作業ディレクトリ上に準備(2) Geom形式でのリスタート用座標ファイル
今回は時間短縮のため、途中からリスタート
nimage=9 に応じて、9つのGeomファイルが必要
cyclohexene.Geom.1, cyclohexene.Geom.2, ..,cyclohexene.Geom.9[uleo0003@ff02 neb]$ cp/home1/gleo/share/ntchem/training/neb/cyclohexene_neb.Geom* .

67

NTChem演習第二部(2)：ジョブ実行(22) Focus Dシステムへのジョブ投入• ジョブスクリプトファイル”cyclohexene_neb.bash”をジョブ投入コマンドでキューに投入して実行– sbatch cyclohexene_neb.bash• ジョブ実行状況の確認– squeue• ジョブのキャンセル– scancel ジョブID

68

NTChem演習第二部(2):出力ファイルの確認• ジョブ終了後以下のファイルがディレクトリにあることを確認– 標準出力ファイル: cyclohexene_neb_${ジョブID}.o– 標準エラー出力: cyclohexene_neb_${ジョブID}.e– NEBパスのGeomファイル: cyclohexene_neb.Geom.1, .., .Geom.9– MOファイル： cyclohexene_neb.MO.1,.., .MO.969

出力ファイルの見方： NEB計算結果
NEB計算の収束状況：出力ファイルの10520行目付近
o Path energy= -4561.381632
o Path distance (linear) =19.445178
NEB energy #1-----------------Image Path length
EnergyGradient
10.000000-234.56995101
0.00003340
22.588784-234.57020799
0.00002383
3
5.084053-234.56977361
0.00008170
47.612216-234.56472244
0.00018394
5
10.121488-234.55242388
0.00007697
6
12.629496-234.48661733
0.00005972
7
15.148468-234.61833850
0.00006499
817.630708-234.64389366
0.00007397
920.252428-234.64397673
0.00000053-----------------Max grad 4.4926E-04 Target: 4.5000E-04 Converged? Yes
RMS grad 8.2583E-05 Target: 3.0000E-04 Converged? Yes
Max step 1.0408E-04 Target: 1.8000E-03 Converged? Yes
RMS step 1.9104E-05 Target: 1.2000E-03 Converged? Yes-----------------o Diff path ene =0.004957+++++ NEB converged !! +++++
Program
NEB finish. Total CPU time :128.67 seconds-------------------------------------------------------------------------------MPI has been terminated70

NEBパスのGeomファイル
Geom2xyz.exe を使用するとGeom形式をｘｙｚ形式の座標ファイルに変換可能$/home1/share/NTChem/ntchem2013.6.1/bin/serial/geom2xyz.exe cyclohexene_neb.Geom.1 cyclohexene_neb_1.xyz

得られたxyzファイルを１つのファイルにまとめると、NEBパスの確認が容易に$ cat cyclohexene_neb_1.xyz > cyclohexene_neb.xyz$ cat cyclohexene_neb_2.xyz >> cyclohexene_neb.xyz..
$ cat cyclohexene_neb_9.xyz >> cyclohexene_neb.xyz

 molden や vmd などで可視化
 各スナップショットのコメント行(2行目)にエネルギーを入れるとmoldenでNEBパスに添ってのエネルギープロファイルも見ることができる

71

NTChem演習第二部(3)：SO-DFT構造最適化計算• ntprepを使ってH2S分子のSO-DFT構造最適化計算の入力ファイルを作成し、ジョブを実行する– 計算条件
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

分子座標の指定: xmol xyz形式ファイルh2s.xyz
実行タスク種別の指定:安定構造最適化
電子状態理論レベルの指定: DFT
基底関数の選択：Sapporo-DZP-2012
電荷、スピン多重度の指定:全電荷0、1重項
相対論的ハミルトニアン（スカラー部分）の選択： DK3ハミルトニアン
相対論的ハミルトニアン（スピン-軌道相互作用部分）の選択： DK1ハミルトニアン
交換・相関汎関数の指定: wB97XD汎関数
Fock行列Coulomb項計算方法の指定: 解析的積分計算
SCF計算の初期軌道の指定: NDDO法を利用
Mulliken電子密度解析：実行する
静電ポテンシャル解析実行の指定：実行しない
並列計算の条件指定：フラットMPI計算、2ノード使用
ジョブ実行時間の制限：30分

72

NTChem演習第二部(3)：SO-DFT構造最適化計算
分子座標xmol xyzファイルの置き場所– /home1/gleo/share/ntchem/training/geom_opt_so/h2s.xyz

73NTChem演習第二部(3)：ヒント(1) 相対論的ハミルトニアン(スカラー部分)の指定
1.
2.
3.
4.

非相対論的ハミルトニアン: デフォルト
3次Douglas-Kroll(DK3)ハミルトニアン
ZORAハミルトニアン
IORAハミルトニアン

Select the scalar relativistic Hamiltonian (default=none):1)none (default), 2)DK3, 3)ZORA, 4)IORA,
2⏎ ⇚ DK3ハミルトニアンを指定：“2”をタイプ後[Enter]キーで確定

74

NTChem演習第二部(3)：ヒント(2) 相対論的ハミルトニアン(スピン-軌道相互作用部
分)の指定
1.
2.
3.
4.

非相対論的ハミルトニアン: デフォルト
1次Douglas-Kroll(DK1)ハミルトニアン
ZORAハミルトニアン
IORAハミルトニアン

Select the spin-orbit relativistic Hamiltonian (default=none):1)none (default), 2)DK1, 3)ZORA, 4)IORA,
2⏎ ⇚ DK1ハミルトニアンを指定：“2”をタイプ後[Enter]キーで確定

75

NTChem演習第二部(3):解答• 標準出力ファイル中の全エネルギーが以下の結果に近ければOK
Program
DFTD3 finish. Total CPU time :0.01 seconds-------------------------------------------------------------------------------MPI has been terminatedEnergy calculation finished, energy: -4.003058574E+02
Wolfe conditions fulfilled, increasing trust radius
Testing convergence in cycle 22
Energy 8.9671E-07 Target: 1.0000E-06 converged? yes
Max step 1.1045E-03 Target: 1.8000E-03 converged? yes component
RMS step 5.0974E-04 Target: 1.2000E-03 converged? yes
Max grad 6.0679E-05 Target: 4.5000E-04 converged? yes component
RMS grad 3.3638E-05 Target: 3.0000E-04 converged? yes
Converged!
converged

3
7

DL-FIND Report:• 最適化構造が以下の結果に近ければOK
S -0.0449340 -0.0000000 0.7677439
H -0.9497443 0.0000000 1.7714311
H 0.9946783 0.0000000 1.6308249
76