El método de orbitales moleculares de fragmentos ( FMO ) es un método computacional que puede calcular sistemas moleculares muy grandes con miles de átomos utilizando funciones de onda químicas cuánticas ab initio.
El método de orbitales moleculares de fragmentos (FMO) fue desarrollado por K. Kitaura y colaboradores en 1999. [1] FMO está profundamente interconectado con el análisis de descomposición de energía (EDA) de Kitaura y Morokuma, desarrollado en 1976. El uso principal de FMO es para calcular sistemas moleculares muy grandes dividiéndolos en fragmentos y realizando cálculos mecánicos cuánticos ab initio o de densidad funcional de fragmentos y sus dímeros, mediante los cuales se incluye el campo de Coulomb de todo el sistema. La última característica permite cálculos de fragmentos sin usar mayúsculas.
El método de campo mutuamente consistente (MCF) [2] había introducido la idea de cálculos de fragmentos autoconsistentes en su potencial de incrustación, que luego se utilizó con algunas modificaciones en varios métodos, incluido FMO. Ha habido otros métodos relacionados con FMO, incluido el método de correlación incremental de H. Stoll (1992). [3]
Más tarde, se propusieron otros métodos estrechamente relacionados con FMO, incluido el método de energía del núcleo de L. Huang [4] y la expansión de muchos cuerpos incrustada electrostáticamente por E. Dahlke, [5] S. Hirata [6] y más tarde M. Kamiya [ 7] sugirió enfoques también muy estrechamente relacionados con FMO. El método de orbitales moleculares de fragmentos efectivos (EFMO) combina algunas características de los potenciales de fragmentos efectivos (EFP) y FMO. En una revisión reciente se puede encontrar una perspectiva detallada sobre el desarrollo de métodos basados en fragmentos. [8]
Introducción a FMO
Además del cálculo de las propiedades totales, como la energía, el gradiente de energía, el momento dipolar, etc., se obtiene la interacción de pares para cada par de fragmentos. Esta energía de interacción de pares se puede descomponer aún más en contribuciones electrostáticas, de intercambio, de transferencia de carga y de dispersión. Este análisis se conoce como análisis de descomposición de energía de interacción de pares (PIEDA) y se puede considerar como EDA basado en FMO. Alternativamente, se sugirió el análisis de configuración para la interacción de fragmentos (CAFI) y el análisis de interacción de fragmentos basado en MP2 local (FILM) dentro del marco de FMO.
En FMO, se pueden usar varias funciones de onda para cálculos ab initio de fragmentos y sus dímeros, como Hartree-Fock , teoría funcional de densidad (DFT), campo autoconsistente de configuración múltiple (MCSCF), DFT dependiente del tiempo ( TDDFT ) , interacción de configuración (CI), teoría de perturbación de segundo orden de Møller-Plesset (MP2) y agrupamiento acoplado (CC). Los efectos del solvente se pueden tratar con el modelo continuo polarizable (PCM). El código FMO se paraleliza de manera muy eficiente utilizando la interfaz de datos distribuidos generalizados (GDDI) y se pueden usar cientos de CPU con un escalado casi perfecto.
En el libro FMO publicado en 2009, [9] se pueden encontrar 10 capítulos ilustrados escritos por los expertos en el desarrollo y aplicaciones de FMO, así como un CDROM con muestras anotadas de archivos de entrada y salida, software de modelado Facio y videos tutoriales (AppliGuide películas, que muestran clics del mouse) para tratar archivos PDB difíciles con Facio. Además de este libro, hay varios capítulos publicados en otros libros. [10] [11] [12]
Hay tres revisiones generales de FMO publicadas. [13] [14] [15]
En 2013-2014, una revista japonesa, CICSJ Bulletin, publicó una serie de artículos de FMO en japonés (unas 100 páginas en total), que ofrecen un resumen representativo del desarrollo y las aplicaciones recientes de FMO realizados en Japón, incluidos artículos sobre GAMESS / Interfaz FMO en Facio y desarrollo de una versión OpenMP de GAMESS / FMO en la computadora K. [dieciséis]
El tamaño de sistema más grande calculado con FMO hasta ahora es una losa de superficie de fullerita, que contiene 1.030.440 átomos, cuya geometría se optimizó completamente utilizando FMO- DFTB recientemente implementado en GAMESS. [17]
Aplicaciones de FMO
Hay dos campos de aplicación principales de FMO: bioquímica y dinámica molecular de reacciones químicas en solución. Además, existe un campo emergente de aplicaciones inorgánicas.
En 2005, una aplicación de FMO al cálculo del estado electrónico fundamental de una proteína fotosintética con más de 20.000 átomos fue distinguida con el premio al mejor artículo técnico en Supercomputing 2005. Se han publicado varias aplicaciones de FMO a problemas bioquímicos, por ejemplo , al diseño de fármacos , la relación cuantitativa estructura-actividad ( QSAR ) así como los estudios de estados excitados y reacciones químicas de sistemas biológicos. En el desarrollo reciente (2008), se sugirió el tratamiento orbital congelado adaptativo (AFO) de los enlaces desprendidos para FMO, lo que permite estudiar sólidos, superficies y nano sistemas, como los nanocables de silicio. También se aplicó FMO-TDDFT a los estados excitados de cristales moleculares (quinacridona).
Entre los sistemas inorgánicos, se estudiaron materiales relacionados con la sílice (zeolitas, nanopartículas mesoporosas y superficies de sílice) con FMO, así como líquidos iónicos y cintas de nitruro de boro. [18]
Software para FMO
El método FMO se implementa en los paquetes de software GAMESS (US) , ABINIT-MP y PAICS, distribuidos de forma gratuita.
En la etapa anterior, la preparación de los archivos de entrada de GAMESS se facilitó con el software FMOutil . [19] Más tarde, varias partes de FMOutil se incorporaron a la nueva interfaz gráfica de usuario llamada fu . [20] Fu es una GUI de código abierto general que no se limita a FMO o GAMESS. Está escrito principalmente en Python y algunos módulos críticos están en FORTRAN. Fu se distribuye bajo licencia BSD para que cualquiera pueda modificarlo y redistribuirlo libremente. Además, otra interfaz gráfica de usuario Facio [21] desarrollada por M. Suenaga tiene un soporte especializado muy conveniente de FMO (además de otras características), con el que se realiza una fragmentación automática de clusters moleculares, proteínas, nucleótidos, sacáridos y cualquier combinación de los mismos. (p. ej., complejos de ADN y proteínas en un disolvente explícito) se puede realizar en unos pocos minutos, y se puede lograr una fragmentación manual de sólidos y superficies haciendo clic en los enlaces que se van a separar. Facio también puede visualizar los resultados de los cálculos de FMO, como las interacciones de los pares.
Implementación de FMO en GAMESS
(E - energía, G - gradiente, H - arpillera; e, g y h - respectivamente iguales, pero en la versión de desarrollo que se lanzará próximamente; negrita - se puede usar con PCM)
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Ver también
Referencias
- ^ K. Kitaura; E. Ikeo; T. Asada; T. Nakano; M. Uebayasi (1999). "Método orbital molecular de fragmentos: un método computacional aproximado para moléculas grandes". Chem. Phys. Lett . 313 (3–4): 701–706. Código Bibliográfico : 1999CPL ... 313..701K . doi : 10.1016 / S0009-2614 (99) 00874-X .
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enlaces externos
- Página de inicio de FMO
- Página de inicio de GAMESS-US
- Página de inicio de ABINIT-MP
- Página de inicio de PAICS