构型能量计算和晶体结构预测制造技术

描述了用于计算具有多个粒子的周期性边界条件的系统的构型能量的计算机实现的方法。在实施例中，该方法包括以下步骤：定义截止半径，该截止半径定义该系统中的粒子间的非静电相互作用电势截止距离；定义一组晶胞向量以生成模拟晶胞；定义一组超晶胞向量以生成包括所述模拟晶胞的多个副本的超晶胞；对于位于该超晶胞内的每个粒子，计算该粒子与在该截止半径内围绕该粒子的任何和所有另外粒子间的非静电对势，所述非静电对势由该粒子与位于该截止半径内的任何和所有其他粒子的相互作用产生；以及对所有不同的非静电对势求和以提供所述系统的非静电构型能量。系统的非静电构型能量。系统的非静电构型能量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】构型能量计算和晶体结构预测


[0001]本专利技术涉及用于确定系统的晶体结构的方法或计算系统的构型能量的方法，特别是计算具有多个粒子的系统的构型能量的方法。

技术介绍

[0002]晶体结构预测(CSP)在理解材料的行为方面是基本的。晶体结构的精确知识允许计算材料在不同环境条件下的物理和化学性质。后者开启了设计材料以适应广泛应用的可能性，包括用于基于结构化的药物设计或生物材料基因组学。
[0003]CSP可以被认为是一个优化问题，其中该系统的焓是待优化的量；最稳定的晶体结构是具有最小焓的晶体结构。如X射线衍射的试验方法通常用于表征晶体结构，但是不能用于预测它本身。另外，在一些情况下，试验数据可能无法确定晶体结构。例如，这可能是由于当经受高压或高温时有缺陷的样品，并且在此类情况下，理论方法提供了预测晶体结构的唯一解决方案(例如，使试验确定更困难的危险的或有毒的环境)。
[0004]真实的晶体包含太多分子以至于不能真实地模拟。然而，幸运的是，存在许多良好建立的、可以用于具有周期性边界条件的系统的模拟方法。此类方法搜索系统的相对于在一个模拟晶胞中的坐标的焓最小值，假设坐标然后被复制以描述无限晶体。因此，一般方法是使用优化算法，其搜索一个模拟晶胞内的核坐标的构型空间，试图定位具有最低焓的结构。
[0005]为了预测晶体结构，经常采用局部优化方法，迭代晶体结构以找到能量最小值。然而，最小值的数量随着系统大小而显著增加，并且对于甚至中等大小的系统，通常存在太多的最小值，从而没有使用这样的局部优化方法来定位最低最小值的实际机会。因此，已经对更多
‘
全局
’
优化方法进行了许多研究，其尝试使用策略不仅定位局部最小值，而且更智能地搜索空间中最低最小值，并且在最佳情况下，定位全局最小值。
[0006]对于CSP存在许多计算技术，但是就定位全局晶体结构最小值的通用性和广泛性而言，它们都不倾向于匹配盆地跳跃(BH)。然而，这种技术通常需要输入一些外部数据，例如以试验得到的晶格向量或密度的形式。更重要的是，当应用于具有非常小的单胞(unit cell)(或模拟晶胞)的材料时，用此类常规技术预测晶体结构变得有问题。将此技术应用于此类材料常常导致粒子之间相互作用的非静电部分的截断，从而导致结果不准确。一个解决方案将是定义足够大的模拟晶胞，然而，由于最小值的数量随着系统大小而显著增加，所以计算成本将显著增加。
[0007]在常规模拟方法中，定义结晶固体中的粒子间的非静电相互作用电势截止距离的截止半径被限制于晶体结构的单胞(即，模拟晶胞)。这需要与通常用于具有周期性边界条件的系统的最小图像惯例一致。
[0008]然而，对于具有非常小的单胞的晶体系统，截止半径通常太小以致不能适当地考虑导致不准确结果的非静电势能相互作用。该问题的解决方案将是增加模拟晶胞的尺寸到超出单胞。然而，由于局部能量最小值的数目随着系统大小而大幅度增加，所以定位全局最
小值所需的计算能力将显著增加。
[0009]本专利技术旨在通过提供一种用于预测具有任意尺寸的单胞的材料的晶体结构但不显著增加计算成本的方法来至少改善上述缺点。

技术实现思路

[0010]根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于计算具有多个粒子的周期性边界条件的系统的构型能量的计算机实现的方法，所述方法包括以下步骤：i)定义截止半径，所述半径定义该系统中的粒子间的非静电相互作用电势截止距离；ii)定义一组晶胞向量以生成模拟晶胞；iii)定义一组超晶胞向量以生成超晶胞，其中所述超晶胞包括模拟晶胞的多个副本；对于位于该超晶胞内的每个粒子，计算该粒子与该截止半径内的任何和所有另外的粒子间的非静电对势，所述非静电对势由该粒子与位于该截止半径内的任何和所有其他粒子的相互作用产生；以及v)将所有这些不同的非静电对势求和以提供该系统的非静电构型能量。
[0011]本专利技术允许通过去除模拟晶胞尺寸等于或小于晶体结构的单胞的约束，而确定具有任意尺寸的单胞的系统的晶体结构。本专利技术通过使用超晶胞扩展方法克服了这个问题，允许使用不受限制的截止半径来准确地确定系统的总焓，该系统具有以任意单胞尺寸布置在晶体结构中的多个粒子。因此，本专利技术提供了一种更有效的方法来定位对应于稳定的晶体结构的构型能量的全局最小值。
[0012]这种晶体结构确定的应用包括药物应用(如上所述)、矿物学、晶体学和晶体工程(仅举几例)。如上所述，通过确定(稳定的)晶体结构，可以指导试验工作。
[0013]可以理解，可以对任何系统施加周期性的边界条件，而不管系统是否是晶体状的。例如，这些系统可包括非晶形固体和液体。
[0014]在一个实施例中，在部分iv)的方法中，粒子的非静电对势可以包括位于超晶胞外但在截止半径内的粒子。
[0015]此外，或可替代地，步骤iv)可以使用标准最小图像惯例考虑围绕粒子的另外的图像粒子来选择由粒子与位于超晶胞内和/或外的最近粒子或图像粒子的相互作用产生的所述非静电对势。这确保了在计算非静电对势时(仅)考虑最近的图像。
[0016]根据本公开的实施例，计算步骤iv)可还包括以下步骤：对于位于所选择的模拟晶胞内的每个粒子，计算该粒子与在截止半径内围绕该粒子的任何和所有另外粒子间的非静电对势。
[0017]此外，该求和步骤v)可以包括以下步骤：对所选择的模拟晶胞内的每个粒子的不同的非静电对势进行求和；以及将该和乘以超晶胞内的模拟晶胞的数量，以获得构型能量，并且其中该构型能量是该系统的每超晶胞的非静电势能。
[0018]该方法的步骤可以包括计算所选的模拟晶胞内的每个粒子的非静电对势。如果截止半径延伸超过所选的模拟晶胞，则所选的模拟晶胞内的每个粒子的非静电对势可具有来自位于截止半径内的所选模拟晶胞内和外的任何和所有其他粒子的贡献。然后可以通过对所选择的模拟晶胞内的粒子的所有不同的非静电对势求和来获得模拟晶胞的总势能。包括多个模拟晶胞的超晶胞的总势能然后可以通过将这个和与模拟晶胞的总数相乘来获得。这提供了该系统的非静电构型能量，从而允许使用另外的方法(如考虑静电相互作用和外部
压力的影响)来确定构型能量。
[0019]当前描述的方法允许更准确地确定系统的构型能量，而不会预期到增加系统的坐标的数目。这降低了用于后续优化过程(诸如盆地跳跃技术)以找到系统的全局最小值的所需计算能力。
[0020]在示例中，所选的模拟晶胞内的粒子的总非静电对势还可以包括或具有来自位于所选的模拟晶胞外但是仍然在超晶胞内的粒子的截止半径内的粒子的贡献。
[0021]如上所述，可以理解，可以使用标准最小图像惯例来执行求和，以保持超晶胞内的粒子数量。这可以确保超晶胞内的粒子数目是守恒的——在模拟过程中粒子位置通常不是固定的。因此，可能存在以下情况：在优化方法期间一个或更多个粒子可能离开超晶胞，从而导致系统的势能跳跃。在这种情况下，当使用标准最小图像惯例执行上述求和时，超晶胞内的粒子数量是守恒的。
[0022]然后通过将每超晶胞本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种计算机实现的方法，用于计算具有多个粒子的、具有周期性边界条件的系统的构型能量，所述方法包括以下步骤：i)定义截止半径，所述半径定义所述系统中的粒子间的非静电相互作用电势截止距离；ii)定义一组晶胞向量以生成模拟晶胞；iii)定义一组超晶胞向量以生成超晶胞，其中所述超晶胞包括所述模拟晶胞的多个副本；iv)对于位于所述超晶胞内的每个粒子，计算所述粒子与在所述截止半径内围绕所述粒子的任何和所有另外粒子之间的非静电对势，所述非静电对势由所述粒子与位于所述截止半径内的任何和所有其他粒子的相互作用产生；以及v)将所有不同的非静电对势求和以提供所述系统的非静电构型能量。2.根据权利要求1所述的方法，其中粒子的所述非静电对势包括来自位于所述超晶胞外但在所述截止半径内的粒子的贡献。3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述步骤iv)使用标准最小图像惯例考虑围绕粒子的另外图像粒子，以选择由所述粒子与位于所述超晶胞内和/或外的最近粒子或图像粒子的相互作用产生的所述非静电对势。4.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的方法，其中所述计算步骤iv)包括以下步骤：对于位于所选的模拟晶胞内的每个粒子，计算所述粒子与在所述截止半径内围绕所述粒子的任何和所有另外粒子间的非静电对势；并且其中所述求和步骤v)包括以下步骤：对所选择的模拟晶胞内的每个粒子的不同非静电对势求和；以及将所述和乘以所述超晶胞内的模拟晶胞的数量，以获得构型能量，并且其中所述构型能量是所述系统的每超晶胞的非静电势能。5.根据权利要求4所述的方法，其中所选的模拟晶胞内的粒子的非静电对势包括来自位于所选的模拟晶胞外但在所述截止半径内的粒子的贡献。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，还包括以下步骤：vi)将构型能量除以模拟晶胞的总数，以定义每模拟晶胞的非静电势能。7.一种用于确定具有多个粒子的系统的全局最小构型能量的计算机实现的方法，所述方法包括以下步骤：a)对于粒子的一种布置，根据权利要求6计算所述系统的所述每模拟晶胞的非静电势能；以及b)使用盆地跳跃全局优化算法确定与每模拟晶胞的焓的局部最小值相对应的粒子的一个或更多个晶体结构，其中所述每模拟晶胞的焓包括所述每模拟晶胞的非静电势能。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述每模拟晶胞的焓H(X)还包括作用于所述系统上的外部压力，使得焓是通过将所述外部压力与模拟晶胞体的体积相乘并且将其与所述每模拟晶胞的非静电能相加给出的，其中X是定义所述模拟晶胞内的粒子的真实空间坐标的向量。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述每模拟晶胞的焓还包括来自粒子间的静电相互作用的贡献。
10.根据权利要求9所述的方法，其中每个粒子包括一个或更多个多极，并且其中粒子间的静电相互作用包括使用埃瓦尔德和合并的粒子多极之间的收缩。11.根据权利要求10所述的方法，还包括将多极相互作用从笛卡尔坐标系转换成适合于实现成埃瓦尔德和的球谐函数形式的步骤。12.根据权利要求11所述的方法，其中所述转换的步骤包括以下步骤：以图解方式将所述多极相互作用表示为一系列节点和从所述节点辐射的辐条，其中每个节点表示定义粒子的多极的对称多极张量，并且其中从每个节点辐射的辐条的数量等于那个节点的所述对称多极张量的秩。13.根据权利要求12所述的方法，还包括将相互作用的粒子的多极的辐条连结以在相应节点之间形成辐条连接的步骤，每个辐条连接表示节点之间的相互作用。14.根据权利要求13所述的方法，其中作用于任何两个节点之间的收缩程度等于在两个节点之间共享的辐条连接的数量。15.根据权利要求14所述的方法，其中所述图解表示的步骤还包括以下步骤：对于每个节点，编织所述辐条以将所述节点的每个辐条从笛卡尔分量变换成球谐函数形式。16.根据权利要求14或权利要求15所述的方法，其中所述图解表示的步骤还包括以下步骤：在一块接一块的基础上编织节点之间的辐条连接，其中每块构成节点之间的辐条连接的子集。17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，其中所述对称多极张量是无迹的。18.根据权利要求8至17中任一项所述的方法，其中所述每模拟晶胞的焓包括来自所述截止半径之外的相互作用的贡献。19.根据权利要求8至18中任一项所述的方法，其中所述盆地跳跃全局优化算法包括以下步骤：a)通过采用局部优化算法得到坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：C，
申请(专利权)人：爱尔兰国立都柏林大学，
类型：发明
国别省市：