チュートリアル

Quantum ESPRESSO
ESM-RISM法
V11.5.0
2023年4月10日

株式会社クロスアビリティ

Copyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

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本書について•本書はWinmostar V11の使用例を示すチュートリアルです。

•初めてWinmostar V11をお使いになる方はビギナーズマニュアルを参照してください。

•

各機能の詳細を調べたい方はユーザマニュアルを参照してください。

•本書の内容の実習を希望される方は、講習会を受講ください。
– Winmostar導入講習会：基礎編チュートリアルの操作方法のみ紹介します。

– Winmostar基礎講習会：理論的な背景、結果の解釈の解説、基礎編チュートリアルの操作方法、基礎編以外のチュートリアルの一部の操作方法を紹介します。
– 個別講習会：ご希望に応じて講習内容を自由にカスタマイズして頂けます。
•本書の内容通りに操作が進まない場合は、まずよくある質問を参照してください。

•

よくある質問で解決しない場合は、情報の蓄積・管理のため、お問合せフォームに、不具合の再現方法とその時に生成されたファイルを添付しご連絡ください。

•

本書の著作権は株式会社クロスアビリティが有します。株式会社クロスアビリティの許諾なく、いかなる形態での内容のコピー、複製を禁じます。
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概要
•

Al単原子膜（スラブ）がLiPF6が溶解したTHFの液体に接している系をESM-RISM法で計算します。AlスラブをDFTで計算し、Li+, PF6-イオンとTHFをRISMで計算します。THFの溶媒（MOL）ファイルの作成手順も本書で示します。

注意点：•

本書で紹介するMOLファイルの作成手順は全原子（all-atom）モデルに限定されます。

•k点の取り方、バンド数、擬ポテンシャルの種類、カットオフエネルギー、smearing幅は計算結果に影響を与えます。本チュートリアルではすぐに結果を取得できるよう、精度を落とした設定を用います。

◆ Quantum ESPRESSOの計算方法及び計算設定内容の詳しい説明は、次の弊社記事をご覧ください。https://qiita.com/xa_memberCopyright 2008-2023 X-Ability Co., Ltd.

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動作環境設定•Winmostar V11.5.0以降を利用しかつ64bit環境をご利用の方は、CygwinWM 2023/04/05バージョン以降をインストール、環境設定してください。
–•2023/04/05バージョン以降のCygwinWMには推奨バージョン（7.1）の64bit版Quantum
ESPRESSOが同梱されています。

上記に該当しない場合、または推奨バージョン以外のQuantum
ESPRESSOを利用したい方は、別途Windows版Quantum ESPRESSOのインストールと環境設定が必要です。
–

なお、ESM-RISM計算の実行には、EISコンソーシアム版のQuantum
ESPRESSO 7.1以降が必要です。

ESPRESSOかQuantum•

MOLファイルを追加したい場合はユーザマニュアルを参照してください。

•

VESTAを利用できる方は、ツール｜環境設定で基本タブのCubeファイルの表示に外部ビュー
ワを使用にチェックを入れ、プログラムパスタブのCube ViewerでインストールしたVESTAのVESTA.exeを選択します。
–Winmostar Viewerが巨大なCubeファイルの表示に対応していないためVESTAの利用を推奨します。

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Winmostar V11の動作モード
V11にはプロジェクトモードとファイルモードの2つの動作モードが用意されています。
本書ではプロジェクトモードでの操作方法を解説します。

プロジェクトモード V11新機能
ユーザは個々のファイルを意識することなくジョブを管理できます。
基本的にこのモードを推奨します。
ファイルモード
ユーザは個々のファイルを明示的に作成、管理します。操作方法はV10以前と一緒です。

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I. 溶媒（MOL）ファイルの作成
1. Winmostarを起動し、新規プロジェクト（3次元構造を入力）をクリックします。（すでに起動している場合は先にファイル｜閉じるをクリックします。）
2. プロジェクト名に「al_thf_esmrism」と入力し保存をクリックします。
初期構造の作成方法の詳細は分子モデリング有機分子編チュートリアルを参照してください。
ここでは、既存の分子構造ファイルからTHFの構造を読み込みます。
3. ファイル｜インポート｜Samplesファイル｜thf.pdbをクリックします。
–

任意のファイルを読み込む場合はこの段階で代わりにファイル｜ファイルをインポートを使います。

4. ファイルをインポートダイアログで破棄して読み込みをクリックします。
5. 分子表示エリアに所望の分子が出現することを確認します。

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I. 溶媒（MOL）ファイルの作成
1.

（自動で電荷を割り当て）をクリックします。

2. 電荷を割り当てウインドウでOKをクリックします。
3. 黒いウィンドウが何度が出現した後、「正常に電荷が設定されました」と表示されたらOKをクリックします。
4. 固体｜Quantum ESPRESSO｜MOLファイルを作成…をクリックします。
5. Force Fieldの(General)を適宜変更します（本書では不要）。
6. ChargeのUse user-defined chargesにチェックを入れ、Generateをクリックします。

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I. 溶媒（MOL）ファイルの作成
1. 保存ダイアログが開いたら「thf_am1bcc_gaff」と入力し保存をクリックします。
2. 「Enter name of molecule」と表示されたら「thf」と入力しOKをクリックします。
3. 「Enter permittivity」と表示されたら「7.25」と入力しOKをクリックします。
4. 「Enter density」と表示されたら「0.8892」と入力しOKをクリックします。
5. 「正常にMOLファイルが生成されました」と表示されたらOKをクリックします。
6. 「生成したMOLファイルをMOLファイルのディレクトリにコピーしますか？」と表示された
らはいをクリックします。

7. 「正常にコピーされました」と表示されたらOKをクリックします。
※ ここではpermittivityとdensityに実験値を使用しましたが、古典MD計算から算出することも可能です。算出手順はWinmostarチュートリアル（LAMMPSまたはGromacs）で確認できます。

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II. 系のモデリング
基本的な操作方法はQE基礎編チュートリアルを参照してください。
RISMなしのESM計算の操作方法はQE ESMチュートリアルを参照してください。
スラブなど初期構造の作成方法の詳細はWinmostarユーザマニュアル 5.初期構造の作成方法を参照してください。ここでは既存の分子構造ファイルを読み込ませます。
1. ファイル｜インポート｜Samplesファイル｜al_slab.cifをクリックします。
–

任意のファイルを読み込む場合はこの段階で代わりにファイル｜ファイルをインポートを使います。

2. ファイルをインポートダイアログで破棄して読み込みをクリックします。

3. 分子表示エリアに所望の構造が出現することを確認します。（カメラを回転するとスラブ構造を確認できます）

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II. 系のモデリング
本書では不要ですが、適宜スラブ位置を調整します。選択メニュー以下の機能で移動したい原子を選択し、編集｜グループ編集｜グループを並進移動（数値を指定）などを使用してください。

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III.計算の実行
1. ソルバからQuantum ESPRESSOを選択し、(ワークフロー設定) をクリックします。

2. 「現在のセルはプリミティブセルに変換可能です...変換しますか？」と表示されたらいいえをクリックします。
3. K pointsをMonkhorst-Pack(Slab)に変更し、Metalにチェックを入れ、Pseudo fileをpz-*vbc.upfに変更します。
4. Detailsをクリックします。

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III.計算の実行
1. ESMタブを選択し、assume_isolated = ‘esm’にチェックを入れ、esm_bcをbc1に変更します。
2. RISM(1)タブを選択し、trism=.True.にチェックを入れ、SOLVENTSの1行目のMoleculeを 「 thf_am1bcc_gaff.MOL 」 に 変 更 し 、 2 行 目 の Density を 「 1 」 、 Molecule を「Li+.oplsaa.MOL」、3行目のDensityを「1」Moleculeを「PF6-.oplsaa.MOL」に変更します。

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III.計算の実行
1. RISM(2)タブを選択し、rism3d_conv_levelを「0.5」、mdiis1d_stepを「0.05」に変更します。

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III.計算の実行
1. 計算精度を落として計算を早く終了させたい場合はまず次のように設定します。
– BasicタブでK_POINTSを「gamma」に変更– Advancedタブでconv_thrを「1d-5」に変更– RISM(2)タブでrism1d_conv_thrを「1d-6」、rism3d_conv_thrを「1d-4」に変
更※落とさない場合の計算時間は10並列で1時間程度、落とした場合は数分程度となります。

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III.計算の実行
1. Quantum ESPRESSO Keyword Setupウィンドウ右下のOKをクリックします。
2. メッセージが表示されたらOKをクリックし「処理を継続しますか」と表示されたらはいをクリックします。
3. Quantum ESPRESSO Workflow Setupウィンドウ右下のOKをクリックします。
4. 再びメッセージが表示されたらOKをクリックし「処理を継続しますか」と表示されたらはいをクリックします。
5. （リモートジョブの場合は先にこちらに進んでください。）

6. ジョブの設定ウィンドウで実行をクリックします。バックグラウンドでWinmostar JobManagerが起動し、ローカルジョブの場合は右図のような黒いコンソールウィンドウが出現し、計算が開始されます。
補足：入力ファイルを自分で修正したい場合やリモートサーバに自分でコピーして使用したい場合は、ジョブの設定ウィンドウでファイルの保存後ジョブを実行しないにチェックを入れ実行をクリックします。保存後に計算を実行したい場合はファイル｜プロジェクト｜選択された作業フォルダ｜Runをクリックします。

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IV.進捗確認
ローカルジョブの場合は次のページに進んでください。
1. メインウィンドウの作業フォルダでwork1_QE_SCFを右クリックしControl Remote
Job/Serverをクリックします。
2. 必要に応じてtailまたはGet & Open Log Fileでその時点のログファイルを確認します。
3. 必要に応じてGet ＆Open Log Fileの右の▼をクリックし、以下の操作を実行します。
– Plot Energy：SCFのエネルギー変化を確認（詳細はP.18）– Plot 1D-RISM RMS：1D-RISMのRMSの変化を確認（詳細はP.16）– Plot 3D-RISM RMS：最後の3D(Laue)-RISMのRISMの変化を確認（詳細はP.17）

4. 確認後Closeをクリックします。

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IV.進捗確認
1. メインウィンドウの作業フォルダでwork1_QE_SCFをクリックしアクションで1D-RISM RMS
Changeをクリックします。
2. 繰り返しながら順調にRMSが小さくなっていることを確認します。繰り返しながら小さくなるのは温度を変えながら計算しているためです。
3. RMSが振動し小さくなっていない場合は計算を中断し（Winmostar Job Manegerから該当するジョブを右クリックしStopをクリック）、計算条件を見直して再度計算を実行します。

※表示するタイミングによりグラフの様子が異なります

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IV.進捗確認
1. メインウィンドウの作業フォルダでwork1_QE_SCFをクリックしアクションで3D/Laue-RISM
RMS Change for Last Step…をクリックします。
2. 最後のSCFステップのRMSが小さくなっていることを確認します。
3. RMSが振動し小さくなっていない場合は計算を中断し、計算条件を見直して再度計算を実行します。

※表示するタイミングによりグラフの様子が異なります

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IV.進捗確認
1. メインウィンドウの作業フォルダでwork1_QE_SCFをクリックしアクションでSCF Energy
Changeをクリックします。
2. Estimated accuracyが徐々に小さくなっていることを確認します。
3. Estimated accuracyが振動し小さくなっていない場合は計算を中断し計算条件を見直して再度計算を実行します。

※表示するタイミングによりグラフの様子が異なります

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V. 結果解析
1. リモートジョブの場合は、まず作業フォルダでwork1_QE_SCFの状態がEND(-)に変化した
らwork1_QE_SCFをクリックしてから、アクションでReceive All Remote Output Filesをクリックします。

2. 「リモートサーバから全ての出力ファイルを取得しますか？」と表示されたらはいをクリックし、ファイルがリモートサーバから転送されるまで待ちます。

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V. 結果解析

溶媒原子間相関関数

1. メインウィンドウの作業フォルダでwork1_QE_SCFをクリックしアクションでSolvent Pair
Distribution Funcをクリックします。
2. Targetで可視化したい項目にチェックを入れDrawをクリックすると相関関数が出現します。原子の名前を調べる場合は次のページの手順に従い操作します。
3. Obtain Chemical PotentialsをクリックするとCSV形式で溶媒和自由エネルギーが出力されます。

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V. 結果解析

溶媒（MOL）ファイルの原子名確認方法

以下はWinmostarをもう一つ別に起動すると楽に操作できます。
1. ツール｜環境設定をクリックし、計算タブのSolid｜QE MOLファイル用フォルダのOpenをクリックし、環境設定ウィンドウはキャンセルをクリックして閉じます。
2. 原子名を調べたいMOLファイルをWinmostarにドラッグアンドドロップします。
3. プロジェクトを閉じてファイルを開くをクリックします。
4. ツールバーのラベル/電荷を名前に変更すると分子表示エリアで原子名を確認できます。
プロジェクトモードに戻りたいときはファイル｜最近使ったプロジェクトを開く｜…¥al_thf_esmrism.wmpjをクリックします。

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V. 結果解析

ログファイルの確認

1. メインウィンドウの作業フォルダでwork1_QE_SCFをクリックしアクションでLog（ログファイルの全文）またはLog (Extracted) （ログファイルの要約）をクリックし、ログファイルの中身を確認します。

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V. 結果解析

溶媒密度/エネルギー分布

1. メインウィンドウの作業フォルダでwork1_QE_SCFをクリックしアクションでSolvent
Charge/Energy Profileをクリックします。
2. Termsで可視化したい項目にチェックを入れDrawをクリックするとグラフが出現します。
3. また、3次元分布を可視化したい場合は、アクションでRISM Charge DistributionやRISM
Density Distribution, RISM Potential Distributionもクリックします。

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最後に•

各機能の詳細を調べたい方はユーザマニュアルを参照してください。

ユーザマニュアル

Winmostar 講習会の風景•

本書の内容の実習を希望される方は、Winmostar導入講習会、Winmostar基礎講習会、または個別講習会の受講をご検討ください。（詳細はP.2）•

本書の内容通りに操作が進まない場合は、まずよくある質問を参照してください。

•

よくある質問で解決しない場合は、情報の蓄積・管理のため、お問合せフォームに、不具合の再現方法とその時に生成されたファイルを添付しご連絡ください。
以上
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