Квантово-химические программы. 
Квантовая механика и квантовая химия

В настоящее время для осуществления квантовохимических расчетов имеется множество программ, ориентированных на различные вычислительные средства: от персональных компьютеров до суперкомпьютеров. Все эти программы велики по объему и сложны по числу реализованных алгоритмов. В свое время на их разработку ушли десятилетия трудов многих математиков, программистов, физиков и химиков. В большинстве своем программы написаны на Фортране. Объясняется это тем, что разработанные в начале 1970;х гг. первоначальные программы на Фортране постоянно расширялись и улучшались, они превратились в громоздкие и сложные пакеты программ, которые переводить на другие языки программирования нецелесообразно. Кроме того, последние версии Фортрана стали настолько развитыми и усовершенствованными, что практически по своим возможностям не уступают другим языкам программирования.

Квантово-химические программы включают 130 000 операторов и более. К числу наиболее распространенных программ в нашей стране относятся: GAUSSIAN, GAMESS, HYPERСНЕМ, PRIRODA и др. Существует немало публикаций и сайтов, где можно ознакомиться с порядком подготовки входных данных, проведения расчетов и анализа выходных файлов перечисленных программ.

Многие другие квантово-химические программы подчас имеют уникальные и весьма специфические особенности и возможности. Например, программа ADF использует оригинальные базисные наборы слэтсровских функций и позволяет выполнять релятивистские расчеты методом DFT.

Первым этапом практического осуществления квантовохимического расчета является подготовка исходных данных рассматриваемой атомно-молекулярной системы. Эти данные оформляются в виде входного файла программы. Вначале необходимо задать первоначальную геометрическую структуру системы. Проще всего и всегда возможно это сделать указанием декартовых координат каждого из ее атомов. Однако первоначальные значения этих координат удобно определять с помощью какой-либо программы молекулярного моделирования.

Подготавливать входные данные и визуализировать результаты расчетов по многим квантово-химическим программам удобно с помощью специально настроенных графических интерфейсов. К числу таких программ, обрабатывающих файлы программ GAUSSIAN, GAMESS и HYPERCHEM, относится программа CIIEMCRAFT.

С помощью программы CHEMCRAFT несложно построить модель изучаемой структуры, в которой первоначальные длины химических связей и валентные углы близки к обычно определяемым экспериментально в классических молекулярных структурах. Эти параметры, однако, можно изменить по своему усмотрению. Затем одной командой в данной программе можно получить значения декартовых координат всех атомов структуры. После копирования их в буфер значения координат вносят во входной файл программы.

Еще более удобна для молекулярного моделирования и предоставляет больше возможностей для видоизменения первоначальной структуры программа 11YPERCIIEM. Подробнее о работе с данной программой см. подпараграф 17.2.3. Однако она нс выдает значения декартовых координат всех атомов атомно-молекулярной системы в удобной для использования в программе GA USSIAN (как и в GAMESS) форме. Поэтому оказывается проще прочитать структуру, найденную в программе HYPERCHEM, программой CHEMCRAFT и затем получить декартовы координаты ее атомов.

Краткие сведения о порядке подготовки содержания входных файлов или заданий для программ GAUSSIAN, GAMESS, HYPERCHEM и PRIRODA описаны ниже. Выходные файлы квантово-химических программ всегда содержат достаточно пояснений, для того чтобы можно было использовать приведенные в них данные для анализа электронного строения и свойств изучаемых молекулярных систем. Однако часто весьма удобно эти данные визуализировать с помощью программы CHEMCRAFT.