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ASE原子模擬環(huán)境入門之結(jié)構(gòu)優(yōu)化: H2O

來源：時間：2022-12-16 16:40:21 瀏覽：3063次

我們來計算一下H2O分子的結(jié)構(gòu)

練習：創(chuàng)立一個Atoms對象來代表一個水分子，提供分子的化學符號，猜測沒各原子的位置。將它可視化，保證分子呈V字形。

練習：使用GPAW給這個猜測的H2O分子運行一個自洽計算。

優(yōu)化器

我們接下來要優(yōu)化幾何構(gòu)型。ASE提供了幾種優(yōu)化算法，可以在配備求解器的atom上運行:


from ase.optimize import BFGS
opt = BFGS(atoms, trajectory='opt.traj', logfile='opt.log')
opt.run(fmax=0.05)

練習：運行一個結(jié)構(gòu)優(yōu)化，計算H2O的平衡幾何構(gòu)型。

上面的trajectory關(guān)鍵字確保中間幾何構(gòu)型的軌跡被寫入opt.traj。

練習：將輸出的軌跡可視化，并動態(tài)地播放。用鼠標拖動選框選擇水分子的三個原子——這將顯示它們的夾角。H2O的H-O-H夾角是多少？

在ASE中，如果我們知道正確的語法，我們也可以通過編程來做事情:


from ase.io import read
atoms = read('opt.traj')
print(atoms.get_angle(0, 1, 2))
print(atoms.get_angle(2, 0, 1))
print(atoms.get_angle(1, 2, 0))

有關(guān)Atoms對象的文檔提供了一個很長的方法列表。

G2分子數(shù)據(jù)集

ASE知道許多常見的分子，所以我們實際上不需要自己輸入所有的分子坐標。就是這么幸運，ase.build.molecule()函數(shù)做的正是我們需要的:


from ase.build import molecule
atoms = molecule('H2O', vacuum=3.0)

這個函數(shù)從G2測試集返回一個分子，如果我們能記住分子的確切名稱，這就很好了。如果我們沒有記住所有的分子名，我們使用G2測試集的更通用的模塊ase.collections.g2:

from ase.collections import g2

print(g2.names)  # These are the molecule name

satoms = g2['CH3CH2OH']

view(atoms)

view(g2)  # View all 162 systems

使用其它計算軟件

我們同樣可以使用其它計算軟件，通常是通過接口(sockets)來訪問的，比如form ase.calculators.emt import EMT或from ase.calculators.aims import Aims。有關(guān)列表，請參見ase.calculators或運行:


$ ase info --calculators

我們以計算軟件FHI-Aims為例。用戶自行安裝FHI-Aims。然后我們使用FHI-Aims來進行同樣的弛豫計算。但在上面的列表中，Aims(可能)并不是可用的。我們首先需要告訴ASE如何運行Aims。這意味著： 1)用于運行Aims的命令；

2)在哪里可以找到有關(guān)的信息。我們可以通過在shell中設(shè)置環(huán)境變量來實現(xiàn):

$ export ASE_AIMS_COMMAND=aims.x

$ export AIMS_SPECIES_DIR=/home/alumne/software/FHIaims/species_defaults/light

ase info --calculators命令可以告訴我們，它認為Aims可執(zhí)行文件名為aims.x

然而，如果我們打開一個新的shell，它會忘記這一點。如果我們又不想在這些電腦上修改.bashrc文件，那么我們可以在Python腳本中設(shè)置這些變量:


import os
os.environ['ASE_AIMS_COMMAND'] = 'aims.x'
os.environ['AIMS_SPECIES_DIR'] = '/home/alumne/software/FHIaims/species_defaults/light'

練習：使用ASE調(diào)用FHI-Aims計算軟件運行一個H2O結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算

要啟用力的計算，需要compute_forces=True。Aims需要一個明確給定的XC泛函，所以我們將xc='LDA'。xc關(guān)鍵字由幾個ASE計算器支持，可以更容易地指定常用的xc泛函。

運行之后，會出現(xiàn)一下新的文件。ASE會先建立control.in和geometry.in，然后在這兩個輸入文件的基礎(chǔ)上運行FHI-Aims，產(chǎn)生aims.out。一定要檢查一下這些文件。作為完美主義者和偏執(zhí)狂，我們當然期望保證ASE設(shè)置的每一個參數(shù)都是我們所設(shè)想的。

大多數(shù)ASE計算器可以使用calc.write_input_file(atoms)生成一個文件，而不觸發(fā)計算。例如，如果您希望現(xiàn)在生成文件，但是以后運行它們(無論是否使用ASE)，這是非常有用的。

ASE知道許多文件格式。ase.io.read()可以讀取輸入文件和輸出文件，并返回Atoms。這些文件也可以用ASE GUI直接打開。

注意，默認情況下，后續(xù)的計算將相互覆蓋。因此Aims輸入和輸出文件對應(yīng)于結(jié)構(gòu)弛豫的最后一步。ase.optimize的文檔會告訴我們，我們可以通過添加一個“觀察者”（observer）來阻止這種覆蓋的行為，或者使用更靈活的ase.optimize.Dynamics.irun()方法來強制將不同的步驟放到不同的目錄中。

附錄:計算器與代碼之間的通信

下面的知識對于正常使用ASE不是必要的。除非您對如何優(yōu)化ASE和外部計算器之間的通信感興趣，否則您可以跳過。

不同的計算器以不同的方式與計算代碼通信。GPAW是用Python編寫的，因此ASE和GPAW運行在同一個進程中。然而，F(xiàn)HI-aims是一個單獨的程序。Aims計算器為我們所做的是生成一個輸入文件，運行FHI-aims，讀取輸出，并返回結(jié)果。

我們剛做了一個涉及多個幾何步驟的弛豫。每一步都啟動一個新的Aims流程，然后停止。這是低效的，因為一個步驟的基態(tài)電荷密度和波函數(shù)將是下一個步驟的一個很好的初始猜測，降低了收斂所需的步驟數(shù)。但是當程序終止時，這些量就丟失了。為了在結(jié)構(gòu)優(yōu)化和動力學方面獲得最佳性能，我們需要避免這種效率損失。

許多ASE計算器支持更高級的通信方式。這些計算器可以通過管道(pipes)(Lammps, CP2K)或接口(sockets)(Siesta, Aims, Espresso)與持久外部進程通信，或者它們可以通過直接庫調(diào)用(Lammpslib, GPAW)在同一進程中工作。

ASE可以使用i-PI協(xié)議通過接口(sockets)與FHI-aims 通信(http://ipi-code.org/)。這是通過將計算器包裝在ase.calculators.socketio.SocketIOCalculator中來實現(xiàn)的。接口(sockets)計算器將使用它包裝的計算器來啟動一個計算，然后運行它。

關(guān)于接口(sockets)I/O計算器的文檔已經(jīng)提供了完整的示例，因此我們只需要稍作調(diào)整就可以在本地機器上運行它們。

選做練習：給予我們剛才使用FHO-aim進行弛豫計算的例子，寫一段代碼使用ase.calculators.socketio.SocketIOCalculator運行同樣的計算

你可以運行python3 myscript.py來查看計算總共花了多長時間。在接口(sockets)上運行弛豫能得到多大的加速?INET接口(sockets)通常具有高延遲。如果你沒有看到太多的加速，這可能是原因。在這種情況下，嘗試切換到UNIX接口(sockets)。

接口(sockets)I/O計算器自動生成一個輸入文件，并立即啟動計算。因為它只啟動流程一次，所以后續(xù)步驟不會相互覆蓋，我們可以在aims.out中找到所有的中間步驟。

練習答案

GPAW優(yōu)化


from ase import Atoms
from ase.optimize import BFGS
from gpaw import GPAW
atoms = Atoms('HOH',positions=[[0, 0, -1], [0, 1, 0], [0, 0, 1]])
atoms.center(vacuum=3.0)
calc = GPAW(mode='lcao', basis='dzp', txt='gpaw.txt')
atoms.calc = calc
opt = BFGS(atoms, trajectory='opt.traj')
opt.run(fmax=0.05)

FHI-aims優(yōu)化


import os
from ase import Atoms
from ase.optimize import BFGS
from ase.calculators.aims import Aims
os.environ['ASE_AIMS_COMMAND'] = 'aims.x'
os.environ['AIMS_SPECIES_DIR'] = '/home/alumne/software/FHIaims/species_defaults/light'
atoms = Atoms('HOH',positions=[[0, 0, -1], [0, 1, 0], [0, 0, 1]])
calc = Aims(xc='LDA', compute_forces=True)
atoms.calc = calc
opt = BFGS(atoms, trajectory='opt-aims.traj')
opt.run(fmax=0.05)

FHI-aims/socket-io優(yōu)化

import os

from ase import Atoms

from ase.optimize import BFGS

from ase.calculators.aims import Aims

from ase.calculators.socketio import SocketIOCalculator

os.environ['ASE_AIMS_COMMAND'] = 'aims.x'

os.environ['AIMS_SPECIES_DIR'] = '/home/alumne/software/FHIaims/species_defaults/light'

atoms = Atoms('HOH',positions=[[0, 0, -1], [0, 1, 0], [0, 0, 1]])

opt = BFGS(atoms, trajectory='opt-aims-socketio.traj')

aims = Aims(xc='LDA',compute_forces=True,use_pimd_wrapper=('UNIX:mysocket', 31415))

with SocketIOCalculator(aims, unixsocket='mysocket') as calc:

    atoms.calc = calc

    opt.run(fmax=0.05)

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