会社概要 クロスアビリティの事業内容 : ソフトウエアの開発 販売 サポート Winmostar 個別カスタマイズにも対応 Fragment ER リガンド相対結合自由エネルギー計算 DC-DFTB 分割統治 DFTB 法 XA-CUDA-QM 量子化学計算 GPU 高速化モジュール 計算化学コンサ

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1 Winmostar 定期講習会 株式会社クロスアビリティ

2 会社概要 クロスアビリティの事業内容 : ソフトウエアの開発 販売 サポート Winmostar 個別カスタマイズにも対応 Fragment ER リガンド相対結合自由エネルギー計算 DC-DFTB 分割統治 DFTB 法 XA-CUDA-QM 量子化学計算 GPU 高速化モジュール 計算化学コンサルティング 受託計算 講習会 実験データ解析 コード開発 科学技術計算 / 機械学習ソフトウエアの並列 / 高速化 カスタム開発 シミュレーションデータの可視化 3Dプリンティングなど

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6 講習会の流れ 分子モデリング実習 量子化学実習 分子動力学実習 固体物理計算実習 自由演習 個別相談

7 Winmostar とは? 初期座標作成 計算の実施 結果の解析 これらの手順を一貫して操作できる GUI を提供

8 実行できる計算の種類 量子化学計算 固体物理計算 分子動力学計算 電子密度 分子軌道 点電荷 静電ポテンシャル IR ラマン UV-Vis, NMRスペクトル 反応座標 (IRC) 解析 遷移モーメント他 格子定数 電子密度 点電荷 静電ポテンシャル XAFSスペクトル 仕事関数 バンド図 DOS 計算 有効遮蔽媒質 (ESM) 法他 モル体積 熱膨張係数 比熱 体積弾性率 エンタルピー 自己拡散係数 動径分布関数 散乱関数 溶解度パラメータ χパラメータ 溶媒和自由エネルギー他

9 実習の準備 1. 様々な拡張子のファイルが生成されるため拡張子を表示 Win7 エクスフ ローラ alt キー ツール フォルタ ーオフ ション 表示 登録されている拡張子は表示しない のチェックを外す Win8, 10 ファイルエクスフ ローラ 表示 ファイル名拡張子 2. ファイル名 フォルダ名 ( 上位階層全て ) に半角英数を使用 スペース 特殊文字は不可 アンダースコアは可

10 実習の準備 3. ソルバーのパスの設定後 Winmostar を再起動 10

11 How to localize English version is available. Click " 英語 "(English), and restart Winmostar.

12 初期画面の説明 現在開いているファイルのパス Winmostar のバージョン 種類 各ソルバーに関する機能 画面左に出ている原子構造の詳細情報 各ソルバーの計算条件の記述部分 編集中の原子構造の三次元構造 画面左に出ている原子構造の三次元座標 (Z マトリックス or XYZ)

13 量子化学計算編

14 (1) 分子をモデリング (2) 構造最適化計算 量子化学計算の典型的な手順 MOPAC ( 半経験 無償 ) GAMESS ( 非経験 無償 ) NWChem ( 非経験 無償 ) Gaussian ( 非経験 有償 ) SMASH ( 非経験 無償 ) (2.5) 必要に応じ 最適化後の構造を用いて振動計算など (3) 結果の解析 表示 メイン画面上でのモデリング 分子軌道 IR スペクトル

15 Winmostar における分子のモデリング手順 メイン画面上で一からモデリング ファイルから読み込み SMILES 記法で読み込み PDB CIF mol mol2 xyz... ( 必要に応じ ) 配座探索 ( 必要に応じ ) 点群解析

16 Rep 右クリック部分回転 Clean 空間充填元に戻す名前を付けて保存 1/4 モデリング 部品の選択 Del 結合付加 isooctane (C 8 H 18 ) C5H4 環構築 Chng fluorene (C 13 H 10 ) 部分削除 (Del) 水素付加 caffeine (C 8 H 10 N 4 O 2 ) uric acid (C 5 H 4 N 4 O 3 )

17 2/4 分子軌道の表示 MOPAC を用いてベンゼン (C 6 H 6 ) の構造最適化計算を実行 モデリング後 半経験 QM>MOPAC>MOP6W70 を実行 半経験 QM>MOPAC> インポート >MO から 分子軌道を表示

18 3/4 GAMESS による構造最適化 1 まず実習用にスチレン分子をモデリング 2 QM>GAMESS>GAMESS キーワード設定 >Easy Setup で Optimize を選択し Quit Set 3 QM>GAMESS>GAMESS 実行 4 QM>GAMESS> インポート >Animation で 最終構造を選択 スチレン (styrene) C 8 H 8

19 4/4 IR スペクトル 1 QM>GAMESS>GAMESS キーワード設定 >Easy Setup で IR(Hessian) を選択し Quit Set 2 別名で保存し QM1>GAMESS 実行 3 QM>GAMESS> インポート >Hessian, Raman を選択 4 ピークを選択し Anim. この図ではラマンスペクトルも合わせて表示しています

20 その他の機能 ( モデリング ) 三面図 分子のコピー カット ペースト 部分配向 画面左上の各種情報 距離 角度 二面角の変更 メイン画面へのドラッグ & ドロップ 部品登録 2 分子結合 2 画面 直接編集 重ね合わせ表示 CONFLEX による配座探索 Leng : 距離, Ang : 結合角, Dihed : 二面角 Lper : 点と平面との距離

21 色変更 表示選択 GIF アニメーション レイトレーシング (POV-Ray) 3D プリンタ (OpenSCAD) 特許用の作図 文字拡大機能 構造式 (OpenBabel) その他の機能 ( 表示 ) ここに写っているものは手で着色されていますが カラー付 OpenSCAD データも出力可能です

22 Mulliken 電荷 静電ポテンシャル 反応座標 (IRC) 解析 PIO 解析 遷移モーメント UV-Vis, NMR スペクトル 分子表面積 体積 卵形度 アスペクト比 Sterimol パラメータ その他の機能 ( 解析 )

23 量子化学計算に関する参考書 事例毎に 背景の理論の説明と入力ファイル例が載っています 旧版 (2006 年出版 ) の内容は少し古め 新版 (2015 年出版 ) は GAMESS の情報が少な目

24 分子動力学計算基礎編

25 分子動力学計算の典型的な手順 (1) 分子のモデリング 力場 ( パラメータ ) の設定 (2) シミュレーションセルの作成 (3) 平衡化計算 単成分液体 1 エネルギー極小化計算 希釈溶液 2 温度一定計算 3 温度 圧力一定計算 Gromacs ( 無償 ) LAMMPS ( 無償 ) Amber ( 有償 無償 ) MODYLAS ( 無償 ) NAMD ( 無償 ) (4) 本計算 (5) 結果の解析 表示 密度 エネルギー アニメーション 自己拡散係数

26 1/6 シミュレーションセルの作成 1 MD> 溶媒を配置 / セルを作成 を選択 2 Put the molecule on main window as solute のチェックを解除 3 Add Water で 500 を入力 4 Set Density に 0.9 と入力し 5 Build

27 2/6 エネルギー極小化計算 1 MD>Gromacs> キーワード設定 にて Reset し OK 2 MD>Gromacs>Gromacs 実行 3 MD>Gromacs> エネルギー変化 で Potential を選択し Draw

28 3/6 温度一定計算 1 同様に Gromacs キーワード設定にて Basic タブの Extending Simulation にチェック Preset から NVT(fast) を選択 2 Gromacs 実行 3 計算終了後 MD>Gromacs> トラジェクトリ読み込み 4 MD>Gromacs> エネルギー変化 で Temperature を選択し Draw

29 4/6 温度 圧力一定計算 1 Gromacs キーワード設定にて Basic タブの Preset から NPT(fast) を選択 2 Gromacs 実行 3 エネルギー変化で Pressure または Density を確認

30 5/6 本計算 + 平衡物性の取得 1 キーワードは変更せず 再度 Gromacs 実行 2 エネルギー変化で Calc Ave から各種熱力学量を取得 3 MD>Gromacs> 平均二乗変位 で自己拡散係数を取得

31 6/6 溶液系の作成と 3D 表示 1 メイン画面でエタノール分子をモデリング 2 MD> 溶媒を配置 / セルを作成 にて Add Water で 500 と入力 3 Set Density で 0.9 と入力 4 Build 5 表示 >3D から 3D ビューワを起動

32 その他の機能 ( モデリング 計算 ) GAMESS による RESP 電荷計算 タンパク質 + リガンド系 ( PDB ファイル利用 ) 結晶 ポリマー 界面系 散逸粒子動力学 (DPD) 法 モノマー割り付け QM/MM MD 計算

33 その他の機能 ( 解析 ) モル体積 定積 定圧比熱 熱膨張係数 体積弾性率 エンタルピー 界面 ( 表面 ) 張力 動径分布関数 散乱関数 粘度 比誘電率 相平衡条件 ( 融点 沸点 ) 密度分布 距離 角度 二面角の時間変化 ヒストグラム算出 溶解度パラメータ χ パラメータ DPD パラメータ ( タンパク質系向け ) 回転半径 RMSD 溶媒和自由エネルギー (BAR 法 ER 法 ) 33

34 固体物理計算編

35 固体物理計算の典型的な手順 (1) 結晶または分子をモデリング (2) 構造最適化計算 結晶ビルダ Quantum ESPRESSO ( 平面波 無償 ) OpenMX ( 混合基底 無償 ) FDMNES ( 有限要素基底 無償 ) XAFS 計算のみ (2.5) 必要に応じ 最適化後の構造を用いて追加の計算 (3) 結果の解析 表示 電荷密度

36 /2 Si 結晶の構造最適化計算 ファイル> 新規 をクリックする 固体 > 結晶ビルダ を立ち上げ ウィンドウの右側でCをSiに変更した後 Edit>LatticeウインドウでCrystal System: Cubic, Space Group: 227 格子定数 a=5.5で 結晶を作成し Si.cifとして保存 File>Exitでメイン画面に戻り ファイル> 開くからSi.cifを開く 固体 >Quantum ESPRESSO>キーワード設定 にて Preset に Relax(variable cell) を指定 Automatically Detect ibrav のチェックをはずして [Set] をクリック Quantum ESPRESSO>Quantum ESPRESSO 実行 を選択 計算終了後 Quantum ESPRESSO>アニメーション (pwout) を選択

37 2/2 電子密度の表示 1 固体 >Quantum ESPRESSO> 電子密度 を選択 2 フォルダーの参照が現れる デフォルトで選ばれるフォルダを選択 3 Cube Plot ウインドウで Contour Map Boundary をチェックし Iso Level を 0.08 に変更し 3D をクリック 4 View>Preferences > X,Y,Z スライダ で表示を調整

38 その他の機能 スピン分極計算 バンド DOS 計算 Löwdin 電荷 仕事関数 誘電関数 IR ラマンスペクトル フォノンバンド DOS 計算 有効遮蔽媒質 (ESM) 法 Car-Parrinello MD 計算 XAFS スペクトル (FDMNES) gro ファイルへのコンバート (VMD などへの出力 ) 38

39 チュートリアル

40 リモートジョブ投入機能 手元の PC では困難な計算をリモートサーバにて実行し業務を効率化 入力の転送 ジョブ投入 出力の転送を自動化 SSH 各種 Linux クラスター FOCUS TSUBAME 京などで利用可能 対応するスケジューラ : LSF PBS SLURM SGE NQS ShareTask

41 サポート 状況を再現するためのデータを添付の上 web よりご質問ください

42 マイナーバージョンアップ版の提供

43 ご注文方法

44 弊社 Facebook

45 分子モデリング演習 有機分子 演習のポイント : Winmostar の基本モデリング機能 ( 置換 クリーン 部分回転等 ) の習得 配座探索 Smiles 入力 クリーン クリーン MOPAC chair Cyclohexane C 6 H 12 boat アビガン smiles と検索 Favipiravir C 5 H 4 FN 3 O 2 Cuban C 8 H 8 Carbon nano ring [-C 6 H 4 -] 6 Top view Corannulene C 20 H 10 Side view 超分子 演習のポイント : コピー & ペースト機能を使いこなす 部分自由回転 CH π CH 4 - C 6 H 6 金属錯体 部分重心 演習のポイント : 金属 配位子のどちらからモデリング? 配位子から部品登録 中心金属から -PdH5 部品 部分配向 多重起動 Benzoic acid dimer C 7 H 6 O 2 x 2 Adenine-Thymine Ferrocene Fe(C 5 H 5 ) 2 Zn(saloph) [Ru(bpy) 3 ] 2+