AIM2000ver2.0簡明使用教程文/SoberevaLastupdate:2010-MAR-13本文主要介紹AIM2000的基本使用，關于AIM理論就不多談了。相對于其它 AIM軟件，AIM2000的優(yōu)點是界面友好，簡單易用，缺點是原子盆積分速度偏慢(AIMALL快得多)。建議用ver2.0，相對于ver1.0作了一些改進，因此更好用，比如界面、默認設置等等，尤其是新加入envelope圖的支持。官方網(wǎng)站上有demo版(http://www.aim2000.de)，用起來和正式版在功能上沒區(qū)別，但是最多只能載入8個核、14個軌道、128個高斯函數(shù)的體系，沒太大實用價值。安裝后在aim2000hlp目錄下有一個手冊aim2000.chm，介紹每一個選項的功能；有一個教程tutor.chm，以C4H4為例圖文并茂地介紹做各種圖；在AIM2000目錄下還有個aim2000V2UsersGuide.pdf，羅列了AIM2000具備的功能，并對程序中 涉及的每個函數(shù)進行了簡略介紹。下文示例的波函數(shù)是自帶的C4h4.wfn。預備知識1.1窗口主界面左上角是控制窗口。可以選擇感興趣的原子，被選擇的原子在 3D窗口中會顯示以這個原子為中心的坐標軸，原子盆積分也將對這個原子積分；可以選擇原子間面用作原子間面積分；可以選擇函數(shù)，默認是電子密度，如果想對別的函數(shù)進行分析則選擇相應函數(shù)，此教程的示例都是對電子密度進行討論。如果之前已經(jīng)對某些函數(shù)做了一些圖，選擇相應函后，在Plotsforthisdensityfunction里面就可以選擇對這個函數(shù)已做過的圖，同時顯示在 2D窗口中。主界面右上方是記錄窗口。 Record菜單中選其中一項，就會在這里顯示已計算的項目的細節(jié)信息，然后可在file-printpreview里面看到這些內(nèi)容的打印預覽。主界面下方是2D窗口，通過Plot菜單的功能做的圖，即分子圖、等值線/梯度線圖、Relief圖，都顯示在這個區(qū)域。 獨立存在的一個窗口是3D窗口。在ver1.0中這個窗口是內(nèi)嵌在主界面的。1.23D窗口中的操作z是放大，x是縮小，空格是重置視角，方向鍵平移體系， s保存圖像(.bmp)，a和m分別控制是否顯示原子和分子的坐標 軸。按shift和ctrl可l=i以分別增加平移、縮放的速度，按Tab重置速度。b、r、g分別控制是否顯l=i示鍵、環(huán)、籠的路徑3D窗口中點右鍵可以選擇是否顯示坐標軸(紅/綠/藍=X/Y/Z)，是否顯示各種類型臨界點和路徑，可以增加或減小平移、縮放的速度。還可以設定背景顏色，如果用于文件插圖，建議將背景設成白色。3D窗口中直接雙擊原子、臨界點或者臨界點連線，可獲得相關信息。如果是臨界點，會有Analyse按鈕，點擊它可分析此臨界點的具體性質(zhì)。1.32D窗口中的操作a控制是否顯示坐標軸，b控制是否顯示圖像邊界，L控制是否顯示標簽(比如顯示的坐標)，n重新做當前的圖，t控制是否顯示標題。按住m上下拖動鼠標可縮放圖像，按住p上下左右拖動鼠標平移圖像，按住x或y或z分別上下、左右、上下拖動鼠標使圖像分別繞著x或y或z軸旋轉(zhuǎn)，按空格恢復初始視角。對于等值線這樣的純平面圖只能按著z來拖動鼠標旋轉(zhuǎn)。如果想在圖中某處添加文字，在圖上點右鍵可在相應位置添加。1.4其它主菜單Calculation-Propertiesofdensityfunction可以任意輸入某個坐標，得到此點的信息，如密度、梯度、Hessian。注意AIM2000中的拉普拉斯值(L,LaplacianofRho)的定義與常規(guī)的不同，在AIM2000中它是電子密度的Hessian矩陣的跡乘以-0.25，而常規(guī)定義不乘以-0.25。File-Save可以將波函數(shù)信息連同當前已經(jīng)運算的所有數(shù)據(jù)保存到.aim文件中。Option菜單中包括此程序各個功能涉及到的所有設定。但也可以在相關功能的窗口中點 Option按鈕進入對應的設定。AIM2000中的數(shù)據(jù)用的是原子單位，故坐標是以波爾半徑為單位(1bohr=0.52917720859埃)。 后文用cp代表臨界點(criticalpoint)。獲得波函數(shù)文件波函數(shù)文件可以由很多量化軟件計算獲得。在高斯中， RouteSection輸入output=wfn，在MolecularSpecification最后輸入比如c:\gtest\1.wfn，計算完成后即得到波函數(shù)文件 1.wfn。高斯默認使用SCF電子密度，所以如果用后HF方法，應當加上density=current，如果是DFT方法則不需要加這個關鍵詞，因為 DFT密度就是SCF密度。對于GAMESS-US，$contrl里加AIMPAC=.TRUE.，運行任務之后在$scr環(huán)境變量下的.dat文件里就會含有波函數(shù)文件的段落，拷貝出來存成.wfn文件就行了。注意所用基組對AIM結果影響較大，不應使用小基組，否則對電子密度描述粗糙，所得臨界點數(shù)值和位 置不正確，甚至得到虛假的臨界點。另外注意應使用笛卡爾型高斯函數(shù)(即6f、10f)，而不要用球諧型，如果不確定當 前是否是6d、10f型，在高斯中應使用6d、10f關鍵字。然后進入AIM2000，點左上角wfn圖標，打開.wfn。找出所有臨界點進入calculation-criticalpoints，直接依次點trytofindmaximatrytofindmaxima,trytofind（3,-1）critical,trytofind（3,+1）critical對應的按鈕，就得到全部三種臨界點，點OK返回。這時在圖形窗口中會顯示出的臨界點。一般情況下不用自己 改參數(shù)。如果對某些臨界點的性質(zhì)感興趣，可以點擊右側(cè)列表里的任何臨界點作為 startpoint，然后點analysestaringpoint按鈕來得到此點的所有性質(zhì)。******附注******關于Option中條目的說明：AIM2000用的是牛頓法尋找臨界點，在電子密度面上尋找（3,-3）、（3,-1）、（3,+1）點，就如同在勢能面上尋找極小點、過渡態(tài)、二階鞍點，需要反復迭代。所以也有步長、步數(shù)、收斂條件這樣的參數(shù)。Minimaldistanceofcriticalpoints:設定臨界點之間的距離至少為多少，如果臨界點與其它臨界點的距離小于這個數(shù)值則被認為相同而不被記錄，一般用默認的 0.1即可。Iterationcontinuesifdistanceofconsecutivepoints: 當前步移動的距離必須小于這個值才算收斂。默認1E-9。Iterationcontinuesif2-normofgradientisgreater: 當前位置的電子密度梯度的模必須小于這個值才算收斂。默認1E-7。MaximalnumberofNewtoniterations:最大迭代次數(shù)，默認120，一般幾十步以內(nèi)就能找到臨界點（步數(shù)與初猜離臨界點 位置的遠近關系很大）。增加太多會多花時間，卻并不能有效解決找不到臨界點問題。Stepsizefactorfornewtoniteration:用于調(diào)整步長。如果臨界點離初始點比較近，應當減小。找不到H的鍵臨界點是容易 遇到的情況，將此項減小到0.5一般就能解決。迭代過程會從自動選擇的初始點開始。尋找（3,-3）會依次將每個原子核坐標作為初始點，尋找（3,-1）會依次將每個原子間連線的中點作為初始點，尋找（3,+1）會依次將每三個原子組成的三角形的中心作為初始點。如果某一步同時滿足了兩個收斂條件，而且這個點與已知臨界點位置大于所設最小距離，則被判為successful，并計入列表中。如果到了最大步數(shù) 仍沒達到判據(jù)要求，或者達到了收斂要求但與已知點太近，或Hessian矩陣成為奇矩陣（沒有其逆矩陣導致無法確定下一步的移動向量），則被判為 unsuccessful。在每次尋找臨界點結束后都會彈出一個 Recordofcalculation窗口顯示每次迭代的細節(jié)，包括起始位置、迭代次數(shù)、最終位置、最終步的電子密度梯度和移動距離。如果已知某些臨界點應當出現(xiàn)，但找不到，應當注意觀察迭代的細節(jié)信息。加大迭代次數(shù)，減小步長因子，降低收斂判據(jù)可以增加成功幾率，但是過多地降低收斂判據(jù)會導致結果不準確。在尋找（3,-3）時如果出現(xiàn)unsuccessful應當特別注意，說明有的與原子核對應的（3,-3）點沒找到，而（3,-3）點又是確定（3,-1）、（3,+1）點初猜的依據(jù)，這會導致某些（3,-1）、（3,+1）點不能找到，所以需要修改參數(shù)以保證所有（3,-3）點都找到。由于初猜位置（原子核）與（3,-3）點十分相近，所以一般只需要幾步就能找到，因此增加步數(shù)對找不到 （3,-3）的問題是沒有效果的，而應當適當降低

梯度收斂判據(jù)，這對于因為核位置處電子密度曲率很大而難以定位梯度為零點的重原子的情況很管用。如果想用自己設定迭代的初始點而不用程序自動設定的，可以在 x、y、z框里輸入坐標，或者從右側(cè)列表里選一個，然后點IteratewithStartingpoint。這很有用，例如已知Li2這樣的分子存在“贗原子”，也就是指與原子核不對應的(3,-3)臨界點，它出現(xiàn)在兩個Li原子核之間，而自動提供的找(3,-3)點的初猜是在原子核位置，顯然找不到這個特殊的(3,-3)點，這就需要手動將初猜設到這個位置。Iteratewithgridpointsasstartingvalues 按鈕的意思是以x、y、z框里設的點為中心設定一個立方格子，將均勻分布在格子 中的點依次作為起始點進行迭代。 Cubesize是格子邊長，No.ofstartingvaluesalong是指每個邊上有多少個點，假設為4，則格子內(nèi)總共有4人3=64個點，也就是Totalno.ofstartingvaluesin里面顯示的數(shù)目。“““““““““““““““***************臨界點連線Calculation-moleculargraph依次點Calculate...Calculation-moleculargraph依次點Calculate...下面的三個按鈕，得到臨界點之間的連線。之后就可以在口中看到了。選擇一項或幾項，再)點cfcbePats，可以顯示它們的始點、長度、由多少個點組成等信息，如果 之前選Xongdescription，還會將組成連線的每個點坐標及它們在路徑中相對于初始點的距離都列出來。就可Selectedpath原子盆積分在主界面左上方，atomsinthismolecule里面選一個原子，然后選calculation-integrationoveratomicbasin。點Functions按鈕選積分哪些函數(shù)，計算時間會因積分函數(shù)的增多所增力口，每個函數(shù)的解釋和算法見附帶的 aim2000V2UsersGuide.pdf。0)分隔的屬于原子自己個球形，在atombasin所含空間范圍之內(nèi)，這個部分由于離原化不大，梯度線仍是放射狀，故對于這個部分使用普通的極坐標積分，設氫原子較小應設0.3。其它部分是beta-sphere0)分隔的屬于原子自己個球形，在atombasin所含空間范圍之內(nèi)，這個部分由于離原化不大，梯度線仍是放射狀，故對于這個部分使用普通的極坐標積分，設氫原子較小應設0.3。其它部分是beta-sphere和atombasin之間的部分，Integrateinsidebeta-sphere只積分Integrateinsidebeta-sphere只積分beta-sphere里面；Integrateinnatural一般選擇這個，積分后會輸出兩套數(shù)據(jù)，先輸出的只是其中的beta-spherecoordinate積分二者！部分積分結果，后輸出的才是完整原子盆積分結果，數(shù)據(jù)應取這個(即輸出原子密度大的那套數(shù)據(jù))；Integrationinradialcoordinates是指范圍由原子間表面決定，速度很 慢，不宜使用。注意，執(zhí)行原子盆積分之前，應當先找出臨界點及其連線，否則積分時可能會因為積分精度問題報錯。算AIM電荷的方法：AIM電荷就是原子的質(zhì)子數(shù)減去原子盆內(nèi)的電子密度的積分。例如求C4H4中的C的AIM電荷就是主界面左上角選擇C，calculation-integrationoveratomicbasin，function里去掉能去掉的所有對鉤，點integrateinnaturalcoordinate，得到6.132723（RHO,electrondensity），故AIM電荷為-0.132723。一般情況與Gaussian中以aim=charges得到的AIM電荷是一致的（因積分算法不同有微小差異）。原子間面積分在控制界面Interatomicsurface中選一個原子間面，然后 calculation-integrationoverinteratomicsurface。作envelope圖Envelope-initializeenvelopegrid，用默認即可，OK。點increasegriddensity三次為好（若體系較大應為兩次），每次格子尺寸都會減小為原來一半，格子數(shù)量隨之增加，使 envelope圖更精細。這個過程往往需要計算空間中幾十甚至百萬個以上 的數(shù)據(jù)點，所以比較耗時，保存的.aim文件由于包含這些數(shù)據(jù)點所以也很大，可達幾十、幾百兆。Envelope-defineenvelopemap，transparency（透明度）建議設0.2，調(diào)minimal與maximalvalue設定最大值與最小值的顏色，介于中間部分的數(shù)值會自動通過插值確定，然后選擇 envelope的格點表達方式是以球還是三角，最后點 OK。如果只想顯示某些原子盆的envelopemap，在右邊displayonlybasins選擇相應原子。如果都不選，相當于選擇全部。此時應當?shù)玫筋愃葡聢D結果，如果在 3D窗口中沒有顯示出來，在 3D窗口點右鍵，看看envelopemapswitchon/off是否被關閉了。如果更改過envelope顯示設置但是3D窗口沒有更新，點一下3D窗口。默認是電子密度圖，如果想作其它函數(shù)的，回主界面 propertyfunction選擇相應函數(shù)，則3D窗口中的圖會及時更新。

8.作分子圖OK即可顯示Plot-newplot-moleculargraphOK即可顯示9.作等值線圖+梯度線圖選Plot-newplot-lineplot。等值線、梯度先可以分別作，也可以一起做。9.1作等值線圖首先要設定作圖的平面。在planesetup中，從列表中選一個點之后選pointA，同樣添加pointB、C，這樣平面就被這三個點確定了。實際作圖區(qū)域只是這個平面當中范圍有限的一個矩形，它在這個平面上處于什么位置要用center來設。初始點默認是 0,0,0，點擊CalculateProjectedCenter就會得到0,0,0這個點投影到所設平面上的位置（即0,0,0點向平面做的垂線與平面的交點），這個位置就是作圖的矩形的中點。也可以自行輸入或選擇一個點再點 center按鈕來設初始點。實際上沒必要每 次都手動點擊CalculateProjectedCenter來投影初始點得到實際位置，直接點OK就會自動做投影這步。點擊Applyin3Dview可在3D窗口中看到灰色矩形，這就是實際作圖區(qū)域，如下圖所示。如果看到矩形范圍太小，應修改Width和Height使矩形變大，由于面積變大相應地計算時間也會增長。Angle可以設這個矩形旋轉(zhuǎn)多少度，適當?shù)匦D(zhuǎn)后可以保持矩形面積不變的情況下包含更多感興趣的范圍。點擊左側(cè)defaultvalue就是自動生成每一條等值線對應的數(shù)值，一般用默認即可。手動添加等值線的方法是：如果選algorithm，是以Step值為等差數(shù)列生成。如果選geom，則是以step為等比數(shù)列生成。num是生成的數(shù)目。如果只是添加比如0.3這一個數(shù)，只在start中寫0.3,step和num寫0就行了。可以選擇一些等值線，然后點LineStyle選擇線的顏色、粗細、類型。繪制拉普拉斯等值線時注意，ver2.0的等值線默認有正值和負值，大小是對稱的，正值等值線用在圖中默認以黑色表示，負值等值線以綠色表示。如果是ver1.0，只有正值，負值需要手動添加。為了在等值線圖中顯示一些關鍵點，可以從右側(cè)Calculated列表中選擇幾個處于平面或平面附近的原子或cp加入Selected列表中。選擇一個或者按住shift選擇一批點，點PointStyle選擇在圖中表示的方式。9.2作梯度線圖同樣先定義平面，從右側(cè)Calculated列表中選擇感興趣的cp加入Selected列表中，注意往里面加入原子并不會在圖中引出 梯度線，必須加入的是相應的(3,-3)點才行。與作等值線相同，在Selected列表中選擇一個或一些點，點PointStyle按鈕定義在圖中的表達方式。在Selected列表中選擇一些cp后，在PathStyle里選了GradientSource、includeSpecialPath就可以作出梯度線。PathStyle中numberoflines數(shù)量越多，引出的線越多，計算時間越長。Dista