CP2K 从头算分子动力学、Gaussian 量子化学、LAMMPS 分子动力学、ReaxFF 反应力场

课程

内容

赠送预习视频内容

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

第一天 上午

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

第一天 下午

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）

第二天 上午

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

第二天 下午

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

第三天 上午

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

第三天 下午

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

第四天 上午

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

第四天 下午

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

课程

内容

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    ）

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内容

第一天 上午

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。

第一天 下午

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

第二天 上午

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

第二天 下午

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

第三天 上午

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

第三天 下午

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

第四天 上午

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。

第四天 下午

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。

第五天上午

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

第五天下午

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

课程

内容

第一天 上午

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

第一天 下午

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

第二天 上午

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

第二天 下午

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

第三天 上午

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

第三天 下午

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）

第四天 上午

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

第四天 下午

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

交流互动环节

针对学员的问题一一作答