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

(1)

Winmostar™ 定期講習会

株式会社クロスアビリティ

[email protected]

(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

(3)

(4)

(5)

(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)

計算の実施

結果の解析初期座標作成

Winmostar™とは？

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

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

• Win7

ｴｸｽﾌﾟﾛｰﾗ

→alt

ｷｰ

→

ﾂｰﾙ

→

ﾌｫﾙﾀﾞｰｵﾌﾟｼｮﾝ

→

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

ﾌｧｲﾙｴｸｽﾌﾟﾛｰﾗ

→

表示

→

ﾌｧｲﾙ名拡張子

•

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

(11)

How to localize

• English version is available.

Click "

英語

"(English), and restart Winmostar.

(12)

初期画面の説明

Winmostar

のバージョン・種類現在開いているファイルのパス

各ソルバーの計算条件の記述部分

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

）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

編集中の原子構造の三次元構造

(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

• MOPAC

（半経験・無償）

• GAMESS

（非経験・無償）

• NWChem

• Gaussian

（非経験・有償）

• SMASH

(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

量子化学計算の典型的な手順

・分子軌道

・

IR

スペクトル

・メイン画面上でのモデリング

(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 ...

（必要に応じ）

配座探索

（必要に応じ）

点群解析

xyz

(16)

fluorene (C

₁₃

H

₁₀

)

caffeine (C

₈

H

₁₀

N

₄

O

₂

) isooctane (C

₈

H

₁₈

)

uric acid (C

₅

H

₄

N

₄

O

₃

)

部品の選択

Del

結合付加

C5H4

環構築

Chng

部分削除

(Del)

水素付加

【1/4】モデリング

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

(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)

•

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

その他の機能（モデリング）

Leng : 距離, Ang : 結合角, Dihed : 二面角

Lper :

点と平面との距離

(21)

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

•

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

）

(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)

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

量子化学計算に関する参考書

(24)

分子動力学計算基礎編

(25)

(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

① エネルギー極小化計算

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

分子動力学計算の典型的な手順

・密度、エネルギー

・アニメーション

・自己拡散係数

・単成分液体

・希釈溶液

(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)

• 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

その他の機能（モデリング・計算）

(33)

•

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）

その他の機能（解析）

(34)

固体物理計算編

(35)

(1) 結晶または分子をモデリング (2) 構造最適化計算

• 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

固体物理計算の典型的な手順

・電荷密度

・結晶ビルダ

(36)

【1/2】 Si結晶の構造最適化計算

① 「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。

②

File>Exit

でメイン画面に戻り、ファイル＞開くから

Si.cif

を開く。

③ 「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。

④ 「

Quantum ESPRESSO

＞

Quantum ESPRESSO

実行」を選択。

⑤ 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)

•

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）

その他の機能

(39)

チュートリアル

(40)

リモートジョブ投入機能

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

•

入力の転送

•

ジョブ投入

•

出力の転送を自動化

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

(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

https://winmostar.com/jp/download_jp.html

(43)

ご注文方法

https://winmostar.com/jp/purchase_jp.html

(44)

参考書紹介＠弊社 Facebook

(45)

分子モデリング演習

Corannulene C₂₀H₁₀ Carbon nano ring

[-C₆H₄-]₆ Cuban

C₈H₈

Benzoic acid dimer C₇H₆O₂x 2

Ferrocene Fe(C₅H₅)₂

Top view Side view

[Ru(bpy)₃]²⁺

Zn(saloph) Cyclohexane

C₆H₁₂ chair boat

Favipiravir C₅H₄FN₃O₂

配座探索

「アビガンsmiles」と検索

Smiles

入力

Adenine-Thymine CH – π

CH₄- C₆H₆

MOPAC

クリーンクリーン

部分重心配位子から部品登録

中心金属から

-PdH5

部品部分自由回転

部分配向多重起動

有機分子

超分子演習のポイント：金属錯体 ^{演習のポイント：}金属・配位子のどちらからモデリング？

コピー＆ペースト機能を使いこなす。

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

Winmostar™ 定期講習会

株式会社クロスアビリティ

[email protected]

会社概要

• クロスアビリティの事業内容：

–

• Winmostar™

• Fragment ER

• DC-DFTB

• XA-CUDA-QM

–

–

–

–

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

計算の実施

結果の解析 初期座標作成

Winmostar™とは？

これらの手順を一貫して

操作できる GUI を提供

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

•

•

• IR・ラマン、UV-Vis, NMRスペクト

•

•

•

•

• XAFSスペクトル

•

•

•

•

•

•

•

実習の準備

1.

2.

• Win7

→alt

→

→

→

→

• Win8, 10

→

→

•

•

実習の準備

3.

Winmostar™

How to localize

• English version is available.

Click "

"(English), and restart Winmostar.

初期画面の説明

Winmostar

Z

or XYZ

量子化学計算編

(1) 分子をモデリング (2) 構造最適化計算

• MOPAC

• GAMESS

• NWChem

• Gaussian

• SMASH

(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

量子化学計算の典型的な手順

IR

Winmostar™における分子のモデリング手順

SMILES記法で

PDB CIF

結果の解析初期座標作成

量子化学計算固体物理計算分子動力学計算

【1/4】モデリング

【2/4】分子軌道の表示

C ₆ H ₆

C ₈ H ₈