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何谓次优化概念?探讨在高斯算法中如何有效排除虚频现象

在执行高斯运算过程中如何去除虚频现象

在高斯运算过程中,频繁出现诸多虚频现象,每个虚频值大致介于-30至-20之间。然而,若结构变动幅度过大,虚频值可能进一步增大。消除虚频的关键策略是调整结构。其次,在计算过程中,可尝试以下方法:关闭对称性;增加迭代次数;提升收敛精度;设置iop(1/8=1)等。通常,对于势能面较为平坦的情况,较小的虚频较难消除。

为解决上述问题,可按以下步骤逐步调整:

1).在优化阶段,启用Scf(tight)选项,提高收敛标准。随后计算频率。若仍存在虚频,请参考下一步。

2).对称性对虚频的影响:许多情况下,虚频的产生与分子本身的对称性有关。因此,在优化过程中,如需降低对称性,建议将输入文件的内坐标转换为直角坐标进行优化。但有时此方法效果有限。

3).若上述方法仍存在虚频,观察虚频值,找到强度较大的虚频,并将对应的原子振动坐标添加至输入文件中。重新计算,直至虚频消失。建议使用直角坐标输入分子结构,将产生虚频的振动坐标与原始坐标相加。在相加过程中,可选用权重如1/3等。

4).实际上,若分子柔性较大,难以找到最低点,这是电子结构计算的问题。此时,需借助动力学方法,如模拟退火、最陡下降法、淬火法等,通过构象搜寻来解决问题。将得到的能量最低构象进行一般电子结构计算,通常问题可得到解决。

若上述步骤仍无法解决问题,则可能是因为计算尚未得到最稳定的结构,或分子结构存在问题,或计算错误,或游离于计算范畴之外。

最后,若寻找过渡态,若仅存在一个虚频,且该虚频对应某单键旋转振动,则虚频产生的原因是初始结构接近重叠构象。此时,将优化过的结构绕振动方向旋转几十度后重新优化,可能得到正确结果。在优化中等大小的有机分子(50-100原子)时,常会遇到这种情况。

当出现两个以上虚频时,先观察振动模式。若多余的虚频与期望的振动模式发生在不同原子上,可先固定过渡态模式所对应的原子,然后进行opt到minimal,通常可去除多余虚频,再进行全优化,可能会有所收获。

计算化学中虚频的定义

在计算化学领域,虚频是指分子振动频率计算结果中出现的负频率。负频率表示该分子的某个振动模式对应的势能曲面处于不稳定状态。虚频的出现通常与计算方法或计算参数的选择不当有关。

在分子振动频率计算中,常用方法是通过计算分子的力常数矩阵来获得振动频率。该矩阵描述了分子在平衡几何构型附近的二阶势能曲面,即描述分子在该几何构型附近振动所受的力的二阶导数。

若计算中出现虚频,意味着计算得到的力常数矩阵的某个特征值(对应振动频率)为负值。这表明在该振动模式下,分子的势能曲面呈现向外弯曲的特征,即能量增加。这种情况通常表示计算得到的几何构型并非分子的能量最低点,而是一个过渡态或高能量构型。

虚频的出现可能有以下几个原因:

1.初始几何构型选择不当:计算开始时,若选择的初始几何构型与真实平衡几何构型相差较大,可能导致计算出现虚频。

2.力场参数选择不当:计算中使用的力场参数集可能不适用于该分子或特定的化学反应,导致虚频的出现。

3.近似方法限制:某些计算方法或近似方法可能对某些特定的分子或振动模式无法准确描述,导致虚频的出现。

当计算得到虚频时,需进一步检查计算参数、几何构型等,并进行修正,以获得更准确的分子振动频率。修正方法包括重新优化几何构型、调整力场参数、使用更高级的计算方法等。虚频的出现也可提供关于分子结构和反应的有用信息,如过渡态的搜索和验证等。

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