[Gaussian] Single Point Energy Calculation #1

# Introduction

 

Single Point Energy Calculation은 특정 기하학적 구조를 가진 분자의 에너지 및 관련 성질을 예측하는 것입니다. 이러한 계산은 분자의 PES(Potential Energy Surface)에서 하나의 고정된 지점(Single Point)에서 수행되기 때문에 계산 과정 중에 분자의 구조하 변하지 않는다는 것을 의미합니다. 즉, 유효한 결과를 얻기 위해서 분자에 대한 합리적인 구조가 필수적입니다.

 

Single Point Energy Calculation은 다음과 같은 목적으로 수행됩니다.

 

   - 분자의 기초적인 정보를 얻기 위해서

   - 최적화의 시작점으로 사용하기 위해 분자 구조를 확인해보기 위해서

   - 낮은 Level of Theory(정확도가 낮은 이론적 방법)에서 최적화된 분자 구조의 에너지와 특성을 매우 정확하게 계산하기 위해서

   - 관심 시스템에 대해 유일하게 적절한 계산일 때

 

분자의 총 에너지 외에 HF 및 DFT 방법을 사용한 에너지 계산은 다음과 같은 몇 가지 특성을 예측합니다.

 

   - Dipole Moment와 더 높은 Multipole Moments

   - Atomic Charge Distribution

   - MO and Orbital Energies

   - Electron Density and Eletrostatic Potential

 

에너지(Energy)라고 부르는 것은 Nuclear-Nuclear Repulsion Energy와 함께 분자의 전자 에너지, 즉 총 에너지(Total Energy)입니다. 이는 완전히 이론적인 양이며 원자들이 모두 정지해 있는 것으로 간주할 때 분자 에너지의 추정치입니다. 실제 분자는 핵의 transition과 vibration, rotation motion에서 발생하는 열 에너지(Thermal Energy)라고 불리는 추가 에너지를 가지고 있습니다.

 

# Setting Up and Running Calculation

 

Gaussian에서 Single Point Energy Calculation을 진행하기 위해 다음과 같은 정보들이 필요합니다.

 

   - 계산에 사용할 화학 모델

   - Job에 대한 간단한 설명(job title section)

   - 분자의 구조: 분자의 전하와 스핀 다중도, 공간에서 핵들의 위치

 

이 기본적인 정보들은 모든 Gaussian 계산에 필요하며, 추가적인 정보들을 필요로 할 수 있습니다. 분자 구조의 경우 GaussView나 WebMO와 같은 프로그램으로 만들 수 있습니다. 

 

# Understanding the Gaussian Input File

 

Gaussian에서 계산을 진행하기 위해서 우리는 Input File을 작성해야 합니다. 기본적인 Input File은 다음과 같이 작성됩니다.

 

%nproc(or %nprocshared)=16 
%mem=60GB
(%oldchk=oldchk.chk)                    
%chk=Formaldehyde.chk                                        # link 0 command section
# B3LYP/6-31G(d) geom = connectivity                         # route section
                                                             # Blank line
Formaldehyde Single Point Energy Calculation                 # job title section
                                                             # Blank line
0 1                                                          # Charge(0) and Spin Mutiplicity(1)
C -1.78001774 -0.58048206 0.00000000                         # Molecular Structure
H -1.24484917 -1.50703189 0.00000000
H -2.85001773 -0.58067672 0.00000000
O -1.15101602 -0.50943876 0.00000000
                                                             # Blank line
1 2 1.0 3 1.0 4 2.0                                          # atom connectivity information
2
3
4
                                                             # Blank line

 

-Link 0 Command Section

 

먼저, Link 0 Command Section입니다. 이 부분은 Gaussian 계산에 사용할 계산 자원 및 기본 정보들을 적어주는 곳으로 % 을 이용해 조건을 적어줍니다. %nproc의 경우 계산에 사용할 CPU 혹은 GPU의 코어 개수를 명시해줍니다. 그리고 %mem은 계산에 사용할 메모리를 할당해줍니다.

 

Chk file은 Gaussian에서 계산을 진행할 때 이에 관한 정보를 담은 파일이며 이를 이용해서 계산을 다시 시작하거나 관련 정보를 얻을 수 있습니다. %chk로 계산을 통해 생성할 chk file을 명시해주거나 이미 존재하는 chk file을 통해 정보를 얻어올 수 있습니다. %oldchk의 경우 이전의 chk file에서 정보를 받아서 %chk에 명시되어 있는 파일로 복사를 진행합니다. 즉, %oldchk 파일은 변화가 없는 상태로 계산을 진행할 수 있습니다. 이를 이용해 계산을 순차적으로 진행할 수 있으며 특정 Step에서 최적화를 다시 진행할 수 있습니다.

 

- Route Section

 

두 번째로 Route section입니다. 이 부분은 Gaussian을 이용해 어떤 계산을 진행할 것인지 명시하는 곳으로 #으로 시작합니다. #N을 통해 기본 output을 얻을 수 있으며 #T의 경우 간결한 output, #P는 더 많은 정보를 포함하는 output을 얻을 수 있습니다. 이는 자신이 원하는 정보에 따라 선택할 수 있습니다.

 

위의 Input File에서 B3LYP/6-31G(d)는 계산에 사용할 이론적 방법과 기저 계를 의미합니다. 자신이 원하는 이론적 방법과 기저 계를 이론적 방법/기저 계의 형식으로 표현합니다. 그리고 Geom의 경우 Connectivity로 설정되어 있는데, 이는 분자 구조에서 어떠한 원자들이 연결되어 있는가에 대한 정보를 받겠다를 의미합니다.

 

예시 Input File에는 포함되어 있지 않지만 다양한 옵션들이 존재하고, 원하는 계산을 진행할 수 있습니다. 이들은 Gaussian site^[각주:1]에서 확인이 가능합니다.

 

- Job Title Section

 

이 구역은 자신이 진행할 계산에 대한 간략한 설명을 적는 부분으로 필수적인 부분은 아닙니다. 하지만, 계산 연구를 진행하면 다양한 계산을 하기 때문에 계산 결과에 무엇에 대한 계산인지 적는 것이 도움이 될 때가 있습니다.

 

- Molecule Specification Section

 

Molecule Specification Section은 Charge and Spin Multiplicity와 Molecular Structure를 모두 포함하는 구역입니다.  먼저, Charge and Spin Multiplicity의 경우 "0 1"과 같이 표현되는데 이는 분자의 전하가 0이고 Spin Multiplicity가 1이라는 것을 의미합니다. 예를 들어, 특정 분자의 음이온(Anion)과 양이온(Cation)에 대해 계산을 진행하고 싶으면 "-1 2"와 "1 2"와 같은 식으로 알맞은 값을 적어줍니다. 그리고 Molecular Structure의 경우 GaussView나 WebMO를 통해 분자 구조를 그리면 Input file에 알맞는 정보를 적어줍니다. GaussView의 경우 분자 구조를 저장하는 과정에서 Charge and Spin Multiplicity를 비롯해서 Route Section 정보까지 수정할 수 있습니다.

 

- Additional Input Sections

 

위의 Input file에서 Additional Input에 해당하는 것은 atom connectivity information입니다. 이는 geom=connectivity라는 명령어를 통해 원자의 결합 상태를 받겠다는 것을 명시했기 때문에 필요한 정보입니다. Connectivity 같은 경우 GaussView에서 옵션을 통해 같이 기록하거나 기록하지 않거나를 정할 수 있습니다.

 

그리고 예시 Input File에 존재하는 blank line은 Gaussian Input File의 문법이므로 꼭 넣어야 합니다. Blank 또는 문법이 틀린 경우 Input File을 바탕으로 계산이 시작되지 않으니 주의해야 합니다.

 

 

이 포스팅은 Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods, Third Edition를 기반으로 합니다.

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1. gaussian.com/ [본문으로]