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SCIGRESS 計算モジュール一覧


Mechanics | Dynamics | ExtendedHuckel | ZINDO | MO-G | MO-S | MD-ME


Mechanics(分子力学法)

SCIGRESS Mechanicsは、分子力学法を用いて分子の最適構造などを計算するモジュールです。分子力学法では、原子核という粒体の対ポテンシャルを求めるので、一般的に計算速度が速く多くの場合かなり精度良く分子の安定コンフォマーを見つけることができます。

分子力学の方程式は、電子による結合力に、疑似弾性力で表したバネのポテンシャルエネルギーを使います。分子の力場エネルギーは、結合を伸縮、変角、回転させるエネルギーから求める立体エネルギー(Steric Energy)と呼ぶ理論的エネルギーによって表します。

分子力学特有のポテンシャルは、力場(force-field)によって決まります。結合長、結合角、二面角、ひずみ、静電力、ファンデルワールス力、水素結合その他の性質が力場パラメーターになっています。SCIGRESSでは、Allinger教授によるMM2力場及びMM3力場を拡張して使用しています。SCIGRESSでは、以下の拡張を行っています。

  1. 原子タイプの追加
    • trigonal dipyramids
    • square pgramid
    • octahedron
    • tetrahedron
  2. 結合の追加
    • weak bond
    • ionic bond
    • hydrogen bond
    • coordination bond
  3. 系統的に経験的法則を適用し、使用可能元素を周期表の全元素に拡張しています。
  4. π電子系に該当するパラメーターを適用すべきかどうかを、構造を探査し自動的に決定しています。

分子力学法の用途

  • 通常の有機分子の基底状態の安定コンフォマーの構造を最適化するとき
  • 一連の安定コンフォマーを探索するとき
  • あるコンフォマーから他のコンフォマーへの経路の探索をするとき
  • 分子間の立体的な相互作用を見積もるとき
  • 新規物質や、有機金属分子の構造を調べるとき
  • 量子化学計算の前段階として初期構造を決めるとき

Dynamics(分子動力学法)

SCIGRESS Dynamicsは分子動力学法のソフトウェアで、分子モデルの挙動をシミュレートできます。 SCIGRESS Dynamicsでは、SCIGRESS Mechanicsと同一の力場を使用してポテンシャルエネルギーを計算します。運動エネルギーは、シミュレートしている温度を反映させた分子系での原子の運動速度により計算します。

Dynamicsの用途

SCIGRESS Dynamicsは、設定に従ってトラジェクトリを生成します。

dynamics

Dynamics

トラジェクトリは、構造の集合となっており、時間軸に沿って並んでいます。それぞれの構造は、ポテンシャルそして運動エネルギーが設定温度に従って計算されています。計算の結果は、Workspaceを使用して、隣り合った二つのウインドウにエネルギーと構造を連携させて表示できます。また、このトラジェクトリからは以下の情報が得られます:

  • 分子モデルの運動により生じるさまざまなコンフォメーション
  • 分子モデルの構造とエネルギーの関係

Extended Huckel(分子軌道法)

SCIGRESS Extended Huckelは、シュレディンガー方程式を解く経験的な分子軌道計算法です。計算の対象として、周期表の全元素をサポートしています。

拡張ヒュッケルでは以下の項目が計算できます。

  • 結合次数
  • 部分電荷
  • 分子軌道
  • 軌道エネルギー
  • 双極子モーメント
extendedhuckel

計算のパラメーターとして拡張ヒュッケルパラメーターとS. Alvarezによってまとめられたパラメーターを用意しております。ユーザが新規のパラメーターセットを作成することも可能となっております。

ZINDO(分子軌道法)

SCIGRESS ZINDOは半経験的分子軌道法のプログラムです。シュレディンガー方程式を解くため、CNDO, INDO法が使用できます。

ZINDOでは、以下の特性を計算できます。

  • 部分電荷
  • 結合次数
  • 双極子モーメント
  • 分子軌道エネルギー
  • イオン化ポテンシャル
  • 最適化構造
  • 電子スペクトル(紫外可視吸収スペクトル)
  • C.I.計算を行い、分子の紫外可視領域の吸収スペクトルを計算/可視化できます。

ZINDOには、極性溶媒の効果をモデリングする手法が取り入れられています。それは、SCRF (Self Consistent Reaction Field) 法と呼ばれるものです。

ZINDOの制限

  • ZINDOは、価電子だけを扱いますので、内核電子の変化に依存する性質は計算できません。
  • ZINDOは、シクロプロパンなどのひずみの大きい小環状分子を安定な分子と扱ってしまいますので、取り扱いに注意してください。
  • ZINDOで計算できる原子数 : 200原子 基底関数 : 700

MO-G(分子軌道法)

MO-Gは半経験的分子軌道法のプログラムです。シュレディンガー方程式を解くためのハミルトニアンとしては、MINDO/3, MNDO,MNDO-d, AM1,PM3, PM5が含まれています。

MO-Gでは、以下の特性を計算できます。

  • 部分電荷
  • 結合次数
  • 双極子モーメント
  • 分子軌道エネルギー
  • イオン化ポテンシャル
  • 最適化構造
  • ポテンシャル・エネルギー・マップ
  • 遷移状態の構造
  • 反応座標
  • 振動スペクトル(IR)

MO-G主要機能

  • MOZYME法によるLinear Scaling SCF計算
  • 蛋白質構造入出力に関するユーティリティ機能
  • 構造最適化(EF,BFGS,NLLSQ,SIGMA法)
  • 遷移状態計算
  • エネルギー分割
  • 溶媒効果計算(COSMO法,TOMASIモデル)
  • 内部反応座標計算(IRC)
  • 動的反応座標計算(DRC)
  • 項間交差構造の解析
  • 超分極率計算
  • 対称性の自動認識(8次までの点群表記)
  • 赤外スペクトル計算
  • 紫外/可視スペクトル計算
  • 基準振動解析
  • 励起状態計算
  • 開殻系、ラジカルの計算
  • 周期境界条件を用いた計算
  • Parametric Molecular Electrostatic Potential
  • ESP計算による原子電荷

MO-Gの制限

  • MO-Gは、価電子だけを扱いますので、内核電子の変化に依存する性質は計算できません。

MO-S(励起状態計算)

MO-Sは有機分子の紫外・可視スペクトルを精度良く求めることができます。MO-Sでは、QM/MM法を用いて、タンパク質内リガンド分子の紫外・可視吸収スペクトルを計算することが可能となっています。

mos-f

QM/MM法による吸収スペクトル計算例

MO-Sの計算可能元素

  • AM1, PM3, PM5 (H, Li, Be, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Rb,Sr, Cd, In, Sn, Sb, Te, I, Cs, Ba, Hg, Tl, Pb, Bi)
  • INDO/S (H, Li, C, N, O, F, Mg, Si, P, S, Cl, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn †)
  • CNDO/2 (H, Li, Be, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ge, As, Se, Br)
  • CNDO/S (H, Li, Be, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl)
  • CNDO/S2 (H, C, N, O, F, S, Cl, Br)
  • CNDO/S3 (H, C, N, O, F, S, Cl, Br)

MD-ME(分子動力学法)

原子・分子の集合体や結晶構造を簡単な操作で構築し、バルクから表面・界面までのさまざまな現象をシミュレーションすることができます。また、各物理量のグラフ表示、原子配置のアニメーション表示ができます。さらに、大規模・高速計算にも対応可能です。各種材料の研究・開発および、教育などに幅広くご利用頂けます。

MD-MEの特長

  • 容易な結晶モデル構築機能
  • 豊富なポテンシャルパラメーターライブラリおよび関数を搭載。幅広い材料研究・シミュレーションへの適用

MD-MEのモデリング機能

結晶構造モデラ

空間群展開を用いて、さまざまな結晶構造を構築する機能

ポリマー・モデリング機能

モノマーを結合してポリマーやデンドリマーを作成する機能

polymer-model

作成できるポリマーの例、鎖状ポリマー(左)とデンドリマー(右)

MDセル・モデリング機能

ポリマー集合体(アモルファス、無限鎖)、液晶構造、結晶構造(テンプレート使用)、ランダム配置のMDセルを作成する機能

md-model

結晶構造のテンプレートを利用したMDセル作成機能

面切り出し

ミラー指数を指定して、面を切り出す機能

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面切り出し機能:塩化カリウム結晶の(111)面での切り出し

動力学モデル

ポテンシャルモデル、拘束モデル、剛体モデルが使用可能

MD-MEの相互作用設定・ポテンシャル

分子動力学法で使用される代表的なポテンシャル関数を搭載しています。また、85種類のポテンシャルパラメーターライブラリが添付されています。

環境によって電荷が変化する可変電荷ポテンシャルの適用より、異種材料界面(例:Si/SiO2)の計算を行うことが可能です。(Siのみ適用可)

【ポテンシャル関数】
原子間相互作用(2体力:16種、3体力:8種、多体力:14種)
分子内相互作用(結合:4種、角度:7種、二面角:4種、面外角:5種)

MD-MEの計算条件設定・分子動力学計算

以下のように、柔軟な計算条件の設定下において、さまざまな系のシミュレーションを自在に行うことができます。

【アンサンブル】
NEV、NTV、NPH、NTPアンサンブルが使用可能

【MDセル長可変による応力計算】
計算中にセル辺長変化を実行する機能
セルに引張りや圧縮の変形を加えることによって、応力が得られ、応力と変形の関係から材料の弾性定数を得ることができる

【外場印加機能】
指定した方向・大きさの応力/静電場/静磁場/重力場を印加
指定した半径の球内に粒子を拘束

【制御アルゴリズム】
温度:スケーリング法、能勢法
圧力:パリネロ・ラーマン法。高速化:リンクセル法、粒子登録法、二体力テーブル化

【時間積分法】
Gear法、Hernandez法

【原子・分子発生】
分子動力学計算の実行中に原子や分子を発生させる機能
結晶成長や表面吸着をシミュレートできる
(特許取得済 日本特許第3648033号)

atom-molecular

原子・分子発生計算の計算結果

MD-MEの結果表示機能

温度、圧力、内部エネルギーなどの物理量の時間変化のグラフ表示、原子配置のアニメーション表示を行えます。

me-md03

【内部エネルギー・体積・圧力・温度グラフ (画面左)】
計算で得られた各種物理量の変化をグラフで表示できます。
【アニメーション表示(画面右)】
計算結果をアニメーションで表示できます。

【二次解析機能】
分子動力学計算の計算結果を解析するための機能

  • 平均二乗変位
  • 二体相関関数
  • ボロノイ多面体
  • 分子内座標
  • 干渉関数
  • 粘性係数
  • 弾性定数
  • 速度自己相関関数
  • 回転相関関数
analysis

解析結果(二体相関関数)の表示

MD-MEの高速・並列計算

分子動力学計算を、ネットワーク連携した分子動力学計算エンジン SCIGRESS MD(スケールアップオプション)で行うことにより、高速・大規模計算にも対応できます。

初期データの作成、各種解析、計算・解析結果の表示は、SCIGRESS for Materials(必須)側で行うことができ、リモート環境を意識することなくご利用頂けます。


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