講師取締役千田範夫シニアコンサルタント竹内宗孝の事業内容 Winmostar の開発販売科学技術計算コードの並列化高速化およびカスタム開発計算化学コンサル etc 2

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れれさんきち
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1 Winmostar を使った定期講習会 2015 年 9 月 2 日株式会社クロスアビリティ question@winmostar.com

2 講師取締役千田範夫シニアコンサルタント竹内宗孝の事業内容 Winmostar の開発販売科学技術計算コードの並列化高速化およびカスタム開発計算化学コンサル etc 2

3 Winmostar とは? 初期座標作成分子モデリング GUI 計算ソルバー MOPAC6 MOPAC7 CNDO/S UV-VIS 計算ソルバー内臓 Gaussian GAMESS Gromacs LAMMPS とのインターフェイス赤字は分子軌道法 (MO) ソルバー青字は分子動力学法 (MD) ソルバー解析結果分子構造電子状態エネルギー変化 3

4 Winmostar V5 リリース無償版 ( 機能制限 ) とトライアル版 ( フル機能 ) Gromacs, LAMMPS 対応 (MD オプション ) 配座解析 NWChem 対応ジョブ投入機能の改善 1 回 / 月のアップデート版配布 ( 無料 ) による機能追加と不具合修正 4

5 対称性メニュー 5

6 Winmostar 初期構造の作成 AM1 EF PRECISE GNORM=0.05 NOINTER GRAPHF Winmostar O H H 計算ソルバー分子軌道法計算 AM1 EF PRECISE GNORM=0.05 NOINTER GRAPHF Winmostar Winmostar ATOM CHEMICAL 計算結果の表示 BOND LENGTH BOND ANGLE TWIST ANGLE NUMBER SYMBOL (ANGSTROMS) (DEGREES) (DEGREES) (I) NA:I NB:NA:I NC:NB:NA:I NA NB NC 1 O 2 H * 1 3 H * * Oct 2011 CARTESIAN COORDINATES NO. ATOM X Y Z 1 O H H H: (AM1): M.J.S. DEWAR ET AL, J. AM. CHEM. SOC (1985) O: (AM1): M.J.S. DEWAR ET AL, J. AM. CHEM. SOC (1985) 6

7 Winmostar 初期構造の作成 %nproc=1 AM1 EF PRECISE GNORM=0.05 NOINTER GRAPHF!%chk=temp # hf/sto-3g opt pop=full gfprint Winmostar C Winmostar1 C C C C C C C C C C H C H C H C H H H H C H H H H H H C H H H MOPAC Gaussian $CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CART MAXIT=200 NZVAR=0 $END $SYSTEM TIMLIM= MWORDS=10 $END $STATPT NSTEP=100 OPTTOL= $END $SCF DIRSCF=.T. DAMP=.T. $END $BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END $GUESS GUESS=HUCKEL $END $DATA WINMOSTAR C1 C C C C C C C H H H H H C H H H $END GAMESS 7

8 MOPAC Gaussian GAMESS COORDINATES OF ALL ATOMS ARE (ANGS) Standard orientation: ATOM CHARGE X Y Z FINAL GEOMETRY OBTAINED AM1 EF PRECISE GNORM=0.05 NOINTER GRAPHF Center Atomic Atomic C Coordinates 6.0 (Angstroms) Number Number Type C X 6.0 Y Z Winmostar C C C C C C C C C C H C H C H H H H H H C H H H H C H H H H Winmostar 最適化構造等の表示 11 Oct

9 有償 GaussView Spartan HyperChem Chem3D SIGRESS Winmostar ( 無償版あり ) 無償 Facio MOLDEN MOLEKEL Ghemical Gabedit Avogadro ChemCrat 9

10 主要なスペクトル計算 Winmostar MOPAC6 Gaussian (03,09) GAMESS (2010) UV/VIS CNDO/S で計算 TDDFT 等 TDDFT 等 IR NMR 10

11 isooctane fluorene caffeine uric acid 11

12 静電ポテンシャルマップ Winmostar MOPAC AM1 ESP2/Surface ESP2=Q/r Surface=(VDW/r) 6 ESP ESP2( 点電荷から ) ESP2/ Surface

13 SMILES 入力 (Balloon) ChemDraw の Edit Copy As SMILES CCO Wikipedia のアビガン錠 C1CCCCC1 13

14 ( 簡易 ) 配座探索 (Balloon) 14

個の配座を発生して構造最適化 1 個の最安定構造を選択 -v 1 -b -k -c 100 --full -R 0.

15 Winmostar による ( 簡易 ) 配座探索 Balloon の距離幾何学法 (distance geometry) と遺伝的アルゴリズム (genetic algorithm) を利用力場は MMFF94 -v 1 -c 10 --noga -i randomseed 距離幾何学法で 10 個の配座を発生して構造最適化 1 個の最安定構造を選択 -v 1 -b -k -c full -R ngene 20 --random 遺伝的アルゴリズムで構造発生 4 個の安定構造を選択 -v 1 -c 25 --noga -i randomseed 距離幾何学法で 4x25 個の配座を発生して構造最適化エネルギー順に並び変え 15

16 構造物性相関の識別子 L/D=4.22 Ovality( 卵形度 )= 表面積の比アスペクト比 = 長軸と短軸の比 16

17 Journal of Computer Aided Chemistry, Vol.7, (2006) イオン液体の構造と物性相関山本博志旭硝子 ( 株 ) 中央研究所 17

18 紫外可視吸収スペクトル予測 Winmostar(CNDO/S)//PM3 500 計算値 (nm) 最大吸収波長実測値 (nm) 18

19 意外に知られていない機能 0. 拡張子の表示 1. 分子情報 2. 編集 / 変更 / 距離角度二面角 3. 部分 4. 最近使ったファイル 5. ドラッグ & ドロップ 6. 部品登録 2 分子結合 2 画面 Win7 ファイルエクスフローラツールフォルターオフション表示 Win8 ファイルエクスフローラ表示ファイル名拡張子 ) 7.3D Preferrences 8. 直接編集 9. プレゼン用 (Mark, 色変更表示選択 ) 10.Job Manager 11.gif アニメーション 12. 重ね合わせ 13.ChemDraw の mol 形式読込み 19

20 Gaussian 等計算ジョブ投入可能計算ジョブ投入 SSH 計算結果 Linux クラスター FOCUS TSUBAME 京? LSF,PBS,SLURM SGE,NQS,ShareTask 等 Gaussian,GAMESS,NWChem Gromacs 20

21 Winmostar WinSCP でデータ転送 Putty(Teraterm) でジョブ投入 vi script.sh qsub script.sh ジョブ投入機能 WinSCP で結果ファイル受信 Winmostar 21

22 良くある計算手順 (1) Winmostar でモデリング (2) 構造最適化 (3) 最適化構造での赤外 UV-VIS NMR 計算 (4) Winmostar で可視化 22

構造最適化 <styrene.inp> $CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CART MAXIT=200 NZVAR=42 $END $SYSTEM TIMLIM=600000 MWORDS=10 $END $STATPT NSTEP=100 OPTTOL=0.0001 $END $SCF DIRSCF=.T. DAMP=.T. $END $BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END $GUESS GUESS=HUCKEL $END $ZMAT DLC=.

23 構造最適化 <styrene.inp> $CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=CART MAXIT=200 NZVAR=42 $END $SYSTEM TIMLIM= MWORDS=10 $END $STATPT NSTEP=100 OPTTOL= $END $SCF DIRSCF=.T. DAMP=.T. $END $BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END $GUESS GUESS=HUCKEL $END $ZMAT DLC=.T. AUTO=.T. $END $DATA WINMOSTAR C1 C C C 振動解析 <styrene_hes.inp> $CONTRL SCFTYP=RHF RUNTYP=HESSIAN COORD=CART MAXIT=200 NZVAR=0 $END $SYSTEM TIMLIM= MWORDS=10 $END $STATPT NSTEP=100 OPTTOL= $END $SCF DIRSCF=.T. DAMP=.T. $END $BASIS GBASIS=STO NGAUSS=3 $END $GUESS GUESS=HUCKEL $END $DATA WINMOSTAR C1 C C C TDDFT <et_tddft.inp> $CONTRL SCFTYP=RHF DFTTYP=BLYP TDDFT=EXCITE COORD=CART MAXIT=200 NZVAR=0 $END $SYSTEM TIMLIM=600 MWORDS=10 $END $TDDFT NSTATE=3 MULT=1 $END $STATPT NSTEP=100 OPTTOL= $END $BASIS GBASIS=N31 NGAUSS=6 NDFUNC=1 $END $SCF DIRSCF=.T. DAMP=.T. $END $GUESS GUESS=HUCKEL $END $DATA WINMOSTAR C1 C H C

24 MO,UV,Charge,Dipole,NMR[import] Animation[import] Hessian,Raman 24 24

25 NMR スペクトル計算時間 (i5-3210m 2.50GHz) G03(GIAO) :100 sec(1.67min) NWChem(GIAO):579 sec(9.7min) GAMESS(GIAO): sec(228 min) 25

26 GAMESS 実習振動数計算赤外吸収スペクトル RUNTYP=Hessian スチレンで実習します exam17/18/21/27/36/42/43.inp 26

27 GAMESS 実習振動数計算ラマン吸収スペクトル RUNTYP=RAMAN 27

28 GAMESS 実習紫外可視吸収スペクトル励起状態計算 (TDDFT) $CONTRL TDDFT=EXCITE $END, $TDDFT - $END スチレンで実習します exam39/41.inp 28

29 29

30 30

31 量子化学計算でわかること 1) 分子の最適構造非経験分子軌道計算:~200 原子程度の分子の最安定状態半経験分子軌道計算(MOPAC):~1000 原子程度のタンパク質の構造最適化が可能異性体間やコンフォメーション間のエネルギー差溶媒効果 3) 反応解析遷移状態の分子構造活性化エネルギー反応座標 (IRC) 上での構造やエネルギー変化置換基効果活性化エネルギーに及ぼす溶媒効果 2) 反応性評価電荷分布フロンティア軌道フロンティア軌道の形軌道の係数軌道エネルギー 4) スペクトル実験との対応可視 UV(TD-DFT 法 ) 赤外吸収ラマン散乱 ( 振動解析 ) NMR の化学シフト (GIAO 法 ) 31

GAMESS/Firefly * 参考文献 GAMESS の事例毎に入力ファイル例が載っており理論の説明もあります 2006 年出版のため少し内容が古めです 2015 年 3 月に新版が出版されていますが Gamess に関する情報が非常に少なくなりました GAMESS Homepage

32 GAMESS/Firefly * 参考文献 GAMESS の事例毎に入力ファイル例が載っており理論の説明もあります 2006 年出版のため少し内容が古めです 2015 年 3 月に新版が出版されていますが Gamess に関する情報が非常に少なくなりました GAMESS Homepage (Gordon Group) Google Group ; gamess Firefly Homepage * previously PC GAMESS 32

33 GAMESS の特長ポリマー / タンパク系計算フラグメント分子軌道法 (FMO) : タンパクの全電子状態計算をモノマー, ダイマーまたはトリマーで分割して全体を評価フラグメント間の相互作用エネルギーと内訳がわかる FMO2 DC 法 ( 早大中井教授 ) Elongation 法 ( 九大青木教授 ) 励起状態計算スピン軌道カップリング定数の計算が重原子まで可能その他 VSCF( 非調和振動解析 ) が可能 DRC( 第一原理分子動力学法 ) が可能? RI-MP2 による MP2 の高速計算が可能時間は HF の 1 割増 33

34 Firefly の特長様々な OS に対応している非常に高速である GAMESS よりも Gaussian よりも速い (?) GAMESS と ( ほぼ ) 同じ入力ファイルが使える GAMESS と併用すると Gaussian の有する機能はほとんどがカバーできる無料で使用できる ( フリー ) 配布権は Prof. Alexander が持っている 34

35 量子化学計算の注意点初期分子構造これがダメなら構造最適化が収束しないまた計算結果も信用できない公共 DB 論文検索 (Scifinder など ) 分子力場計算や低レベル基底によるプレ最適化実行骨格のみの最適化 ( 末端はプロトンで置換など ) により初期構造を作成初期分子軌道 dat ファイルの $VEC - $END を入力ファイルの $DATA - $END 以下にコピーし入力ファイルに GUESS=MOREAD と書くことで計算途中の構造分子軌道係数などを再利用してリスタート基礎知識 ( 計算理論 / 基底関数計算手法など ) HF は電子相関をあらわに考慮していない Pure DFT (BLYP etc.) は vdw が考慮できない定量的議論を行うには 6-31G 以上の基底が必要など 35

36 MD ソルバー Gromacs の特徴 Gromacs のライセンス GNU General Public License フリーとお考えください最も高速な分子シミュレーションソフト最新の5.0.4は旧比で3 倍以上高速化 ( 環境に依存する ) 並列化だけでなく GPGPU, FX10 対応も進んでいるプリポスト (Viewer など ) が充実していない Winmostar を使えば GUI で簡単操作できる! 36

37 分子動力学ソフトウェア Gromacs 参考文献初学者用チュートリアル英語 ) 日本語 ) Justin s tutorial( 生体分子用 ) 産総研米谷氏のページ ( 液晶分子 ) 37

38 低分子 MD(Gromacs) 必要ソフト CentOS 6.2 or Windows 7 CentOS は RedHat のクローン OS Gromacs 5.0.4: 分子動力学シミュレーション AmberTools 14.0: antechamberが含まれる openbabel: mol2などを生成 acpype: topファイルを生成以下の Winmostar の Gromacs 簡易インストールから簡単設定! 38

39 Winmostar V5 MD のオプションの GUI 例たんぱくのモデリング Gromacs 計算条件設定 acpype で AM1-BCC 電荷 GAFF 及び OPLS-AA 力場を自動アサインします 39

40 Gromacs の高速演算分子シミュレーションはメモリよりも計算コア数が重要 MPI + OpenMP によるノード内並列計算 ( 共有メモリ型 ) HDD を SSD にすることでディスク I/O を高速化 GPGPU で演算を高速化 etc. Linux クラスタ上の Gromacs にジョブ投入することでスケールアップを実現 ( リモートジョブ投入機能 ) 40

41 Gromacs を理解するためのチュートリアル Gromacs を Winmostar V5 の GUI を使って操作するための各種チュートリアルが ( 株 ) クロスアビリティのホームページ上にアップされています Windows PC のローカル環境で実施可能 Gromacs の Linux 版をインストール済であること以下のリンクから簡単に設定可! 1 Gromacs 低分子操作チュートリアル内容 I. はじめに ( 小分子系における力場について ) II. 水中のエタノール1 分子 ( 温度一定 ) III. 水中に複数のNa + とCl - を含む系 1 Gromacsの計算条件を設定し実行する 2 系の温度エネルギー変化を確認する 3 トラジェクトリーを確認する 4 動径分布関数を計算する 5 平均二乗変位を計算し自己拡散係数を求める 41

42 Stokes-Einstein の式 ( 無限希釈溶液 ) 無限希釈溶液とは... 溶質 - 溶質間相互作用が無い活量係数 = 1( 理想溶液 ) +q 摩擦抵抗 r s Stokes 半径 D 0 : 拡散係数 0 : モル伝導度 : 粘度ポーリングのイオン半径 O:1.40Å, Na:0.95Å, Cl:1.81Å, (Li:0.60Å) Stokes の式 Stokes-Einstein の式 D 0 0 kbt 拡散とイオン伝導の関係 Nernst-Einstein の式 kt f r s q ef kbt f r D 0 42 s

43 Gromacs を理解するためのチュートリアル 2 Gromacs タンパク用操作チュートリアル題材 : 水中のタンパクのシミュレーション内容 : I. PDBからタンパクの分子構造をダウンロードする II. Winmostarを使って計算可能な構造へ修正する ~ 結晶水 ( 酸素原子 ) を取り除く~ III. Gromacsを起動しエネルギー極小化を実行する IV. 得られた構造を用いて二段階の熱平衡計算 ( 温度一定温度圧力一定 ) を実行する V. 本計算 (1 ナノ秒 ) を実行する VI. 計算結果を確認する ( エネルギー変化トラジェクトリ ) VII. バックボーンのRMSD 及び回転半径を計算する本チュートリアルは Justin (Virginia Tech.) による GROMACS Tutorial (Tutorial 1: Lysozyme in water) を参考に作成しています 43

44 Gromacs を理解するためのチュートリアル 3 Gromacs を用いた ER 法による水和自由エネルギー計算チュートリアル本チュートリアルの実施あたっては PC の Linux 環境 (cygwin) に予め ermod をビルドしておく必要があります ermod の Wiki: 第一部 ER 法による溶媒和自由エネルギー計算について I. ER 法の概要 II. 全体処理フロー III. ER 法の表式 IV. 計算対象 V. 計算方法 (MD 計算 ) 第二部操作手順 ( チュートリアル ) I. Winmostar-GromacsによるMD 計算 II. ermodを用いた溶媒和自由エネルギーの算出 III. 結果の評価 ( 追補 ) 電荷変更による再計算 44

45 Gromacs を理解するためのチュートリアル 4 混合溶媒系チュートリアル ( 溶媒として保存機能を使用 ) 題材 : リチウム電池電解液として使われるPCとDMCの混合溶媒系内容 : I. はじめに ( 溶媒として保存機能について) II. PCとDMCの作成と登録 III. 混合溶媒系の作成とエネルギー極小化 ( 最急降下法 ) 計算の実行 IV. 温度一定 (nvt) のMD 計算による構造緩和 V. 温度圧力一定 (npt)md 計算による凝集化 VI. 温度圧力一定 (npt)mdの本計算 45

V5.015(8/6 リリース ) の新機能 http://winmostar.

周期境界折り返し表示を切り替えられるようにしました 2. 結晶構築を追加しました 3.

MDオプションに分子を計算対象とする機能と積算配位数計算機能を追加しました 6.

MDのトラジェクトリ読み込みの3D 表示でセルの大きさの変化を反映するようにしました 8.

電荷表示 Numericalの時に原子番号を表示しない不具合を修正しました 10.

46 V5.015(8/6 リリース ) の新機能 1. 周期境界折り返し表示を切り替えられるようにしました 2. 結晶構築を追加しました 3. MDオプションにポリマー作成ツールを追加しました 4. MDオプションに界面作成ツールを追加しました 5. MDオプションに分子を計算対象とする機能と積算配位数計算機能を追加しました 6. 第 4 周期以降の元素の結合判定長を一部修正しました 7. MDのトラジェクトリ読み込みの3D 表示でセルの大きさの変化を反映するようにしました 8. cifファイル読み込み後に残基情報を作成して GROファイル保存に使えるようにしました 9. 電荷表示 Numericalの時に原子番号を表示しない不具合を修正しました 10. 部品置換元素置換のコンボボックスを編集不可にしました 11. 部分複製で複製方向が表示上のXYZになる不具合を修正しました 12. PDBデータの編集操作の元に戻す / やり直しで残基情報が再現されるようにしました 13. Gaussianの出力読込で第 2テキストエリアがクリアされない不具合を修正しました他ポリマーセルビルダ界面ビルダ結晶構築 46

Winmostarご説明資料

Winmostarご説明資料 Winmostar ご紹介 https://winmostar.com/ http://x-ability.co.jp/wm4u.pdf 株式会社クロスアビリティ X-Ability Co.,Ltd. question@winmostar.com 株式会社クロスアビリティ 2 Winmostar とは? Winmostar TM は分子モデリングから量子化学計算分子動力学計算固体物理計算の実行

講師取締役千田範夫シニアコンサルタント竹内宗孝 の事業内容 Winmostar の開発 販売 科学技術計算コードの並列化 高速化 およびカスタム開発 計算化学コンサル etc 2

講師取締役千田範夫シニアコンサルタント竹内宗孝の事業内容 Winmostar の開発販売科学技術計算コードの並列化高速化およびカスタム開発計算化学コンサル etc 2