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量子化学

Turbomole — 著名量子化学软件包

Turbomole 概述


TURBOMOLE一款用于模拟气相和溶剂效应的强大的量子力学代码。TURBOMOLE可用于计算气态或溶剂中分子系统的结构、能量、电子性质和光学性质,以及计算高精度和高可靠性的基态或激发态。Turbomole中采用的算法有:Hartree-Fock (HF),MP2, DFT, TDFT以及CC。Turbomole可以快速稳定地处理工业应用型的分子,广泛的应用于化工、材料学和药剂学。


TURBOMOLE的功能概述


★ 计算任务


* 采用稳健有效的算法进行结构优化 
* 第一原理分子动力学方法 
* 采用本征向量跟踪方法进行过渡态优化 
* 基于TDFT方法处理激发态


★功能


* HF,DFT(LDA,GGA以及杂化泛函),MP2,CIS,CIS(D),CC2和TDFT方法 
* 采用恒等分解进行快速计算 
* RHF, UHF, ROHF类型计算有效核势 (ECPs)
* DFT泛函:
·LDA:Slater-Dirac exchange,SVWN, VWN, SVWN, PW
·GGA: B-exchange, B-LYP,BVWN, LYP, BP86, PBE
·杂化: Bh-LYP, B3-LYP,B3-LYP, PBE0
* 基组: 所有Gaussian发表的基组 
* 对称性 
* 电场微扰响应 
* 电场下的结构优化 
* 基于TDFT方法处理激发态

*基本属性计算(电荷密度、分子轨道)


★性质


* 静态和频率相关极化率, 旋光度 
* 电子激发 
* 力常数,振动频率,
* IR和拉曼强度 
* 过渡态 
* 相对论修正 
* 静电势,静电场,抗磁性屏蔽 
* NMR
* UV-VIS 和CD光谱 
* 用COSMO计算溶剂效应

*Mulliken 和Lodin电荷分析,布居分析,偶极矩、四极和八极极矩


Turbomole特色


TURBOMOLE的杰出功能


1. 直接和半直接算法可以调整主内存和硬盘空间需求

2. 充分利用所有的有限点群

3. 高效地的积分算法

4. 用于数值积分的稳定和准确的网格

5. 内存和硬盘空间要求低


TURBOMOLE的特点


★ 关键方法


* 限制性、非限制性及限制性开壳层波函数 
* 包含了最流行的交换相关函数,如LDA,GGA,杂化泛函等的密度泛函理论 
* Hartree-Fock (HF) 和 DFT响应计算:稳定性、动力学响应性质和激发态 
* 二中组分的相对论计算,包括针对所有交换相关还书的自旋轨道作用 
* 大分子的MP2 微扰理论 
* 基态和激发态的CC2方法 
* 处理溶液效应的COSMO方法 
* 力场级别的全局力场(UFF)


★ 关键性质


* 至最低点和鞍点(过渡结构)的结构优化 
* 分析HF和DFT计算以及其它方法的振动频率和振动光谱 
* DFT,HF,MP2方法的NMR 屏蔽常数

* 基于第一原理的分子动力学


★ DFT 和 HF方法考虑基态和激发态


* 高效地的RI和多极加速RI(MARI)近似,实现了DFT计算包含上百个原子的超大尺寸的分子系统 
* 分析基态的力场常数,振动频率和振动光谱 
* DFT计算的经验离散修正 
* 电子Hessian本征值(稳定性分析) 
* 频率相关极化率和光旋度 
* 垂直电子激发能 
* 跃迁矩,电子激发态的震荡和旋转强度,UV-VIS和CD谱 
* 相对于原子核位置的基态和激发态能量的梯度值;激发态和基态的平衡结构;绝热激发能量,发射光谱 
* 激发态电子密度,电荷矩,Population分析 
* 梯度数值微分计算激发态力场常数,振动频率和振动光谱


★ MP2和CC2方法


* 高效RI近似提高计算效率 
* 闭壳层HF和非限制性UHF参照态 
* 串行和并行(通过MPI)执行计算(MP2-R12除外) 
* MP2,SCS-MP2和CC2计算基态能量和梯度 
* MP2-R12基态能量 
* CC2, ADC(2) 和CIS(D)激发态能量 
* CC2跃迁矩

* CC2和ADC(2)激发态能量



Turbomole版本信息


Turbomole7.0和TmoleX 4.1发布!


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重要提示:

Turbomole7.0开始用不同的模块处理ricc2计算:MP2、CC2和ADC(2)等计算用ricc2模块,CCSD和CCSD(T)计算使用ccsdf12模块!

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a) 新特点:


- DFT 可处理周期体系 (新模块: riper)

 riper模块基于RI-DFT计算分子和周期体系的基态总能 [1]


- 低标度MP2和MP2-F12 (新模块: pnoccsd)

 Pnoccsd模块包含基于对自然轨道的相关方法(杂化OSV-PNO近似),低成本、高效处理大体系(目前仅限于MP2) [2,3]


 - TDA框架内双组份杂化TD-DFT (escf) [4]


- 双组份GW方法 (escf) [5]


- 双组份CCS、ADC(2)、CIS(inf)、和CC2激发能计算,ADC(2)和CC2(ricc2)激发态跃迁距计算 [6]


- 自定义和多个预定义密度泛函(ridft、rdgrad、dscf、grad、aoforce、escf) 支持XCFun1.99库 (https://repo.ctcc.no/projects/xcfun/wiki)


b) 效率:

 - RI-RPA支持基于OpenMP的并行(rirpa)

c) 适用性:

 - 取消了原子数目和基函数数目限制

- 新工具和脚本:

+ 交互式性质计算模块(新模块: proper)

 Proper可交互的完成一阶属性计算包括,单电子密度、布局数分析和生成与可视化软件交互的接口文件

+ 能量分解分析(EDA) (ridft和新模块promowa)

+ Grimme PBEh-3c泛函,包括DFT-D3和gCP [7]

 - TmoleX 4.1:

 + 添加了2D结构编辑模块JChempaint

+ 2-c ECPs

+ 激发态势能扫描

+ 重新架构轨道/密度画图功能

+ 简化并扩展了远程机器管理功能


d) Bug修复:

- 提高SMP/GA版本ridft/rdgrad的自动清理的稳定性 

------------


[1] A. M. Burow, M. Sierka. Linear scaling hierarchical integration scheme for the exchangecorrelation term in

     molecular and periodic systems. J. Chem.  Theory Comput. 7, 3097-3104 (2011).


[2] G. Schmitz, B. Helmich, C. Haettig. A O(N^3) scaling PNO-MP2 method using a hybrid OSV-PNO approach with an iterative direct generation of 

OSVs. Mol. Phys. 111, 2463-2476 (2013)


[3] G. Schmitz, C. Haettig, D.P. Tew. Explicitly correlated PNO-MP2 and PNO-CCSD and its application to the S66 set and large molecular systems. 

Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 22167-33178 (2014)


[4] M. Kuehn, F. Weigend. Two-component hybrid time-dependent density functional theory within the Tamm-Dancoff approximation. J. Chem. Phys. 

142, 034116 (2015).


[5] M. Kuehn, F. Weigend. One-Electron Energies from the Two-Component GW Method. J. Chem. Theory Comput. 11 (3), 969-979 (2015).



[6] K. Krause and W. Klopper, Description of spin-orbit coupling in excited states with two-component methods based on approximate coupled-cluster theory, J. Chem. Phys., 142 (2015), 104109



[7] S. Grimme, J. G. Brandenburg, C. Bannwarth, A. Hansen JCP, submitted


Turbomole最新版本为6.6版本
 

a) 新特点:


- 反应路径优化(新模块:woelfling)

  在等距离结构的唯一束缚条件下由线性同步转变(LST)开始,接着采用状态链方法(chain-of-states method)优化反应路径。与NEB方法或Growing String 方法不同,我们的方法不需要弹簧力、插值算法、或其他的启发式结构分布控制。[1]


   - 一阶电子震动耦合(新模块:evib)


   - GW近似下多体微扰理论 (escf)


   - 激发态计算ADC(2)中溶剂化效COSMO (ricc2)


   - M06和M06-2X泛函(ridft、rdgrad、dscf、grad、aoforce、escf)

      可与XCFun库(https://repo.ctcc.no/projects/xcfun/wiki)更容易交换试用泛函。


   - 根据显式相关MP2-F12 (ricc2)计算CCSD(T)能量


   - RI-RPA 梯度计算 (rirpa)


   - 双组分RI-RPA能 (rirpa)


   - 双组分TD-DFT 计算自选轨道效应(escf)


   - 基于密度的类VV10色散修正(ridft, rdgrad) [2] 


b) 效率:


  - MP2/COSMO包含在ricc2,取消了rimp2模块


c) Usability:


  - 镧系元素的def2基组[3]


  - 新脚本和工具:

    + scanprep. 准备扫描路径

    + log2rog. 计算回旋半径

    + past. 打开坐标在主轴系统,并打印转动常数

    + NumGrad, NumHess. 计算数字梯度和二阶导数

  - TmoleX 4.0:

    + 全新风格和一些代码重组

    + 改进建模功能,更适合化学风格

    + 过渡态搜索新选项:反应路径采样

    + 在线监测升级版本


d) Bug fixes:

  - 单台机器上同时提交多个并行任务(SMP/GA,ridft/rdgrad) 

  - define定义小分子对称性

[1] P. Plessow. Reaction Path Optimization without NEB Springs or Interpolation Algorithms. J. Chem. Theory

     Comput., 9(3), 1305-1310, (2013). 

[2] W. Hujo, S. Grimme. Performance of the van der Waals Density Functional VV10 and (hybrid)GGA Variants 

     for Thermochemistry and Noncovalent Interactions. J. Chem. Theory Comput. 7(12), 3866, (2011).

[3] R. Gulde, P. Pollak, and F. Weigend. Error-Balanced Segmented Contracted Basis Sets of Double- to Quadruple-Zeta Valence Quality for the Lanthanides. J. Chem. Theory Comput., 8(


Turbomole的最新版本为6.5版本


★特点:
- CCSD垂直激发能量
- MP2 & CC2 计算极化[1] 
- MP3(F12)和MP4(F12)能 
- 新的odft模块,基于所有orbital-dependent Kohn-Sham DFT方法包括LHF和优化交换能的有效势新方法(OEP-EXX) [2]


★效率: 
- Linux版本:在新Intel 或AMD的CPU上的加速 
- RI-K梯度计算的SMP并行版本
- 增强的ridft和rdgrad的SMP并行版本  
- 新的dscf、grad、ridft和rdgrad的SMP并行版本
- 支持IBM Platform MPI (8.2)  http://www-03.ibm.com/systems/technicalcomputing/platformcomputing/products/mpi 
Turbomole不需要第三方MPI环境,可运行并行任务。包括SMP并行和由快速网络(如 Infiniband)连接的跨界点并行VV10基于密度的色散力修正Hujo和Grimme [3]
详细介绍,请致信support@tech-box.com
- 可极化的嵌入式RI-CC2方法T. Schwabe [4] 
需要第三方程序,详细信息请致信support@tech-box.com


★易用性:


 - 新脚本MECPprep和MECPopt可运行能量优化和交叉点优化 
- 新辅助基组支持RI-MP2和RI-CC (cbasen),并由H-Rn (without Lanthanides)支持def2-SVPD 、def2-TZVPD、def2-TZVPPD、def2-QZVPPD
+ 新特点:批处理任务 可定义一个任务模板,批处理一个或多个不同任务(基组、方法、电荷和任务种类等) ,并应用 它到系列分子中。可交到本机或远程服务器上。
+ 新特点:简单的内建作业排队系统。 指定所需CPU数目,TmoleX可同时提交多个任务。它只能自动提交有限数目的任务,到空闲 的CPU上。 
+ 新特点:支持TDA (Tamm-Dancoff),增加ESP 和EPN (electrostatic potential at nuclei)   + MOs支持WFN、molden和AOMix。
+ 改进: 易于在等密度面上画静电势,通过TmoleX查询任务状态


★错误修正:
- 修正MPI并行版收敛以后在dscf最后步骤能量计算给出错误值 
- 修正二阶响应DFTD3计算中数值错误 
注: 部分新SMP并行特点只能运行于Linux64位平台



Turbomole的最新版本为6.4版本

DFT/TDDFT:

  • RI-RPA

  • + 二阶导数分析(aoforce模块)

  • + TDDFT 激发态能量计算和结构优化(escf和egrad模块)

  • + CCSD和CCSD(T) (ricc2模块)

  • non-adiabatic TDDFT surface hopping

  • spin-flip TDDFT

  • semi-numerical HF exchange for one- and two-component calculations

  • gradients for 2c-DFT energies

  • FDE, frozen density embedding (dscf module only)

  • 优化后的Gaussian基组外加弥散函数到Karlsruhe基组:def2-SVPD, def2-TZVPD, def2-QZVPD

post-Hartree-Fock:

  • CCSD excitation energies

  • O(N4) implementation of SOS-CC2 excitation energies

Efficiency:

  • parallel SMP version for CCSD(F12)

  • parallel MPI versions of dscf and grad can skip time demanding

  • + pre-job step which determines the task distribution for large molecules

  • + by setting environment variable $SKIP_PARASTAT=yes

  • + NOTE: use with care, it assumes that you are not using more CPUs than symmetry non-redundant shells.

  • max. number of CPUs for parallel MPI jobs increased to > 2000

  • new option 'nocheck' for point charges skips check for overlapping point charges and correct symmetry. Significantly faster if many point charges are given.

  • new version of Platform MPI (8.2) is included in the Turbomole distribution, for details see:

Usability:

  • new script 'DRC' for performing dynamic/intrinsic reaction coordiante calculations

  • interface to the hotfcht program from R. Berger http://fias.uni-frankfurt.de/~berger/group/hotFCHT/index.html

  • full 64bit version with 'huge' parameter set (up to 1400 atoms) for Linux systems will be available in addition to the default version. Those binaries will use more memory and run a bit slower, but should be able to use a more or less unlimited amount of memory and disk space.

  • TmoleX 3.3:

  • + molecular builder with new simple 'paint'-tool

  • + job templates can handle multi-jobs, for example

  • + combine results from different jobs, including export to Excel file and (for simple organic molecules) 2D graphics

  • + New viewer for spectra, including broadening of lines using Lorentz or Gaussian

  • + finite temperature contributions from vibrational frequencies

  • + POV-Ray export of molecular orbitals

  • + support of DFT-D3 with BJ damping

  • + diffuse basis functions def2-SVPD, def2-TZVPD, def2-QZVPD supported

  • + new FINE cavity for COSMO single-point energies can be chosen


Turbomole的最新版本为6.3版本


新特性:

  • 支持共享内存式并行(SMP),包括:

  • + 二阶导数分析(aoforce模块)

  • + TDDFT 激发态能量计算和结构优化(escf和egrad模块)

  • + CCSD和CCSD(T) (ricc2模块)

  • CCSD和CCSD(T) 方法中D2h和其子群中的对称性

  • 可重新计算震动频率计算(aofoce模块)

  • 垂直激发态TDDFT能量计算中可完全考虑COSMO溶剂化效应(escf模块)

  • 效率更高的CCSD(F12*),可替代CCSD(F12)

  • 自选轨道耦合中双组分MP2-F12能量计算(ricc2模块)

  • 优化后的Gaussian基组外加弥散函数到Karlsruhe基组:def2-SVPD, def2-TZVPD, def2-QZVPD

  • 分段简化的基组,针对单和双组分 Dirac-Fock有效核势

  • 支持DFT-D3色散校正(源码来自于Grimme小组),包括二阶导数(aoforce模块,新关键词$disp3)

效率:

  • Turbomole软件包包括MPI7.1平台

可用性:

    • 设置新的并行运行环境,针对共享内存(SMP)/多核系统

    • 新的脚本“evalgrad”,可监控结构优化或MD计算过程中的键长、键角、二面角

    • 新工具“themocalc”根据用户的计算协议,可批量计算原子能和生成热

    • 数字力转换可使Hessian和震动模型方便的移植到原有的control文件中,供后续过度态搜索计算所用

    • TmoleX 3.1

    • + 改进的建模模块

    • + 支持更多的Turbomole计算功能


产品光盘详情:

1)           是否录制:已录制

2)           内容类型:二进制文件

3)           容量:700M

4)           读取速度:48倍速

5)           1个光盘,非加密