Миннесота функционал
Методы DFT, разработанные исследовательской группой Дональда Трухлара

Функционалы Миннесоты (M yz ) представляют собой группу высокопараметризованных приближенных функционалов обменно - корреляционной энергии в теории функционала плотности (DFT). Они разработаны группой Дональда Трухлара в Университете Миннесоты . Функционалы Миннесоты доступны во многих популярных компьютерных программах квантовой химии и могут использоваться для традиционных расчетов квантовой химии и физики твердого тела.

Эти функционалы основаны на приближении мета-GGA , т.е. они включают члены, зависящие от плотности кинетической энергии, и все они основаны на сложных функциональных формах, параметризованных на высококачественных базах данных бенчмарков. Функционалы M yz широко используются и тестируются в сообществе квантовой химии . [1] [2] [3] [4]

Споры

Независимые оценки сильных сторон и ограничений функционалов Миннесоты в отношении различных химических свойств ставят под сомнение их точность. [5] [6] [7] [8] [9] Некоторые считают эту критику несправедливой. С этой точки зрения, поскольку функционалы Миннесоты нацелены на сбалансированное описание как химии основных групп, так и химии переходных металлов, исследования, оценивающие функционалы Миннесоты исключительно на основе производительности в базах данных основных групп [5] [6] [7] [8], дают предвзятую информацию, поскольку функционалы, которые хорошо работают для химии основных групп, могут не работать для химии переходных металлов.

Исследование 2017 года выявило, что функционалы Миннесоты, по-видимому, плохо работают с атомными плотностями. [10] Другие впоследствии опровергли эту критику, заявив, что сосредоточение внимания только на атомных плотностях (включая химически неважные, высокозаряженные катионы) вряд ли имеет отношение к реальным приложениям теории функционала плотности в вычислительной химии . Другое исследование показало, что это так: для функционалов Миннесоты ошибки в атомных плотностях и в энергетике действительно разделены, и функционалы Миннесоты работают лучше для двухатомных плотностей, чем для атомных плотностей. [11] Исследование приходит к выводу, что атомные плотности не дают точной оценки производительности функционалов плотности. [11] Было также показано, что функционалы Миннесоты воспроизводят химически значимые функции Фукуи лучше, чем атомные плотности. [12]

Семейство функционалов

Миннесота 05

Первое семейство функционалов Миннесоты, опубликованное в 2005 году, состоит из:

  • M05: [13] Глобальный гибридный функционал с 28% HF-обменом.
  • M05-2X [14] Глобальный гибридный функционал с 56% обменом ВЧ.

В дополнение к доле обмена HF семейство функционалов M05 включает 22 дополнительных эмпирических параметра. [14] Функционал с разделением диапазонов, основанный на форме M05, ωM05-D, который включает эмпирические поправки на атомную дисперсию, был представлен Чай и его коллегами. [15]

Миннесота 06

Семейство '06 представляет собой общее улучшение [ требуется ссылка ] по сравнению с семейством 05 и состоит из:

  • M06-L: [16] Локальный функционал, 0% обмена HF. Предназначен для быстрой работы, подходит для переходных металлов, неорганических и металлоорганических соединений.
  • revM06-L: [17] Локальный функционал, 0% HF-обмена. M06-L пересмотрен для более плавных кривых потенциальной энергии и улучшенной общей точности.
  • M06: [18] Глобальный гибридный функционал с 27% HF-обмена. Предназначен для термохимии основных групп и нековалентных взаимодействий, термохимии переходных металлов и металлоорганических соединений. Обычно это самый универсальный из 06-функционалов [ требуется ссылка ] , и из-за этой большой применимости он может быть немного хуже, чем M06-2X для определенных свойств, которые требуют высокого процента HF-обмена, таких как термохимия и кинетика.
  • revM06: [19] Глобальный гибридный функционал с 40,4% HF-обменом. Предназначен для широкого спектра приложений в химии основных групп, химии переходных металлов и предсказании молекулярной структуры для замены M06 и M06-2X.
  • M06-2X: [18] Глобальный гибридный функционал с 54% HF-обменом. Он является лучшим среди 06 функционалов для термохимии основных групп, кинетики и нековалентных взаимодействий, [20] однако его нельзя использовать в случаях, когда задействованы или могут быть задействованы многореферентные виды, [20] например, термохимия переходных металлов и металлоорганические соединения.
  • M06-HF: [21] Глобальный гибридный функционал с 100% обменом HF. Предназначен для переноса заряда TD-DFT и систем, где самовзаимодействие является патологическим.

Функционалы M06 и M06-2X вводят 35 и 32 эмпирически оптимизированных параметра соответственно в функционал обмена-корреляции. [18] Функционал с разделением диапазонов, основанный на форме M06, ωM06-D3, который включает эмпирические поправки на атомную дисперсию, был представлен Чай и его коллегами. [22]

Миннесота 08

Семейство '08 было создано с основной целью улучшить функциональную форму M06-2X, сохранив характеристики для термохимии основной группы, кинетики и нековалентных взаимодействий. Это семейство состоит из двух функционалов с высоким процентом обмена HF, с характеристиками, аналогичными характеристикам M06-2X [ требуется цитата ] :

  • M08-HX: [23] Глобальный гибридный функционал с 52,23% HF-обмена. Предназначен для термохимии основных групп, кинетики и нековалентных взаимодействий.
  • M08-SO: [23] Глобальный гибридный функционал с 56,79% HF-обменом. Предназначен для термохимии основных групп, кинетики и нековалентных взаимодействий.

Миннесота 11

Семейство '11 вводит разделение диапазонов в функционалах Миннесоты и модификации в функциональной форме и в обучающих базах данных. Эти модификации также сокращают количество функционалов в полном семействе с 4 (M06-L, M06, M06-2X и M06-HF) до всего 2:

  • M11-L: [24] Локальный функционал (0% обмена HF) с двухдиапазонным обменом DFT. Предназначен для быстрой работы, для взаимодействия переходных металлов, неорганических, металлоорганических соединений и нековалентных взаимодействий, а также для значительного улучшения по сравнению с M06-L.
  • M11: [25] Гибридный функционал с разделением диапазонов с 42,8% HF-обменом в ближнем диапазоне и 100% в дальнем диапазоне. Предназначен для термохимии основных групп, кинетики и нековалентных взаимодействий, с предполагаемой производительностью, сопоставимой с M06-2X, и для приложений TD-DFT, с предполагаемой производительностью, сопоставимой с M06-HF.
  • revM11: [26] Гибридный функционал с разделением диапазонов с 22,5% HF-обменом в ближнем диапазоне и 100% в дальнем диапазоне. Предназначен для хорошей производительности для электронных возбуждений и хороших прогнозов по всем направлениям для свойств основного состояния.

Миннесота 12

Семейство 12 использует неразделимую [27] (N в MN) функциональную форму, направленную на обеспечение сбалансированной производительности как для химии, так и для физики твердого тела. Оно состоит из:

  • MN12-L: [28] Локальный функционал, 0% HF обмен. Цель функционала состояла в том, чтобы быть очень универсальным и обеспечивать хорошую вычислительную производительность и точность для энергетических и структурных задач как в химии, так и в физике твердого тела.
  • MN12-SX: [29] Гибридный функционал экранированного обмена (SX) с 25% HF-обменом в ближнем диапазоне и 0% HF-обменом в дальнем диапазоне. MN12-L был задуман как очень универсальный и обеспечивающий хорошую производительность для энергетических и структурных задач как в химии, так и в физике твердого тела, при вычислительных затратах, которые являются промежуточными между локальными и глобальными гибридными функционалами.

Миннесота 15

15 функционалов — новейшее дополнение к семейству Minnesota. Как и семейство 12, функционалы основаны на неразделимой форме, но в отличие от семейств 11 или 12 гибридный функционал не использует разделение диапазонов: MN15 — это глобальный гибрид, как и в семействах до 11. Семейство 15 состоит из двух функционалов

  • MN15, [30] глобальный гибрид с 44% HF-обменом.
  • MN15-L, [31] локальный функционал с 0% обменом HF.

Основное программное обеспечение с реализацией функционала Миннесоты

УпаковкаМ05М05-2ХМ06-ЛrevM06-LМ06М06-2ХМ06-HFМ08-НХМ08-SOМ11-ЛМ11МН12-ЛМН12-SXМН15МН15-Л
АПДДа*Да*ДаНетДаДаДаДа*Да*Да*Да*Да*Да*Да*Да*
CPMDДаДаДаНетДаДаДаДаДаДаДаНетНетНетНет
ГАМЕСС (США)ДаДаДаНетДаДаДаДаДаДаДаДаДаДаДа
Гауссов 16ДаДаДаНетДаДаДаДаДаДаДаДаДаДаДа
ЯгуарДаДаДаНетДаДаДаДаДаДаДаДаНетДаДа
Libxc
  • Абинит
  • АПД
  • Обезьяна
  • Набор инструментов Atomistix
  • АтомПАВ
  • BigDFT
  • Кастэп
  • CP2K
  • ДП
  • Лось
  • ЭРКАЛЕ
  • захватывающий
  • ГПАВ
  • JDFTx
  • МОЛГВ
  • Осьминог
  • Ямбо
ДаДаДаДаДаДаДаДаДаДаДаДаДаДаДа
МОЛКАСДаДаДаНетДаДаДаДаДаНетНетНетНетНетНет
МОЛПРОДаДаДаНетДаДаДаДаДаДаНетНетНетНетНет
NWChemДаДаДаНетДаДаДаДаДаДаДаНетНетНетНет
КосаткаДа*Да*ДаДа*ДаДаДа*Да*Да*Да*Да*Да*Да*Да*Да*
PSI4Да*Да*Да*НетДа*Да*Да*Да*Да*Да*Да*Да*Да*Да*Да*
Q-ХимДаДаДаДаДаДаДаДаДаДаДаДаДаНетДа
Квантовый ЭСПРЕССОНетНетДаНетНетНетНетНетНетНетНетНетНетНетНет
ТУРБОМОЛЬ
  • с использованием XCFun
Да*Да*ДаДа*ДаДаДаДа*Да*Да*Да*Да*Да*Да*Да*
ВАСПНетНетДаНетНетНетНетНетНетНетНетНетНетНетНет

* Использование LibXC.

Ссылки

  1. ^ AJ Cohen, P. Mori-Sánchez и W. Yang (2012). «Проблемы теории функционала плотности». Chemical Reviews . 112 (1): 289–320. doi :10.1021/cr200107z. PMID  22191548.
  2. ^ EG Hohenstein, ST Chill & CD Sherrill (2008). «Оценка производительности обменно-корреляционных функционалов M05−2X и M06−2X для нековалентных взаимодействий в биомолекулах». Журнал химической теории и вычислений . 4 (12): 1996–2000. doi :10.1021/ct800308k. PMID  26620472.
  3. ^ KE Riley; M Pitoňák; P. Jurečka; P. Hobza (2010). «Стабилизация и структурные расчеты нековалентных взаимодействий в расширенных молекулярных системах на основе волновой функции и теории функционала плотности». Chemical Reviews . 110 (9): 5023–63. doi :10.1021/cr1000173. PMID  20486691.
  4. ^ L. Ferrighi; Y. Pan; H. Grönbeck; B. Hammer (2012). «Исследование самоорганизующихся монослоев алкилтиолатов на Au(111) с использованием полулокального функционала плотности meta-GGA». Журнал физической химии . 116 (13): 7374–7379. doi :10.1021/jp210869r.
  5. ^ ab N. Mardirossian; M. Head-Gordon (2013). «Характеристика и понимание замечательно медленной сходимости базисного набора нескольких функционалов плотности Миннесоты для энергий межмолекулярного взаимодействия». Журнал химической теории и вычислений . 9 (10): 4453–4461. doi :10.1021/ct400660j. OSTI  1407198. PMID  26589163. S2CID  206908565.
  6. ^ ab L. Goerigk (2015). «Обработка эффектов лондонской дисперсии с помощью новейших функционалов плотности Миннесоты: проблемы и возможные решения». Journal of Physical Chemistry Letters . 6 (19): 3891–3896. doi : 10.1021/acs.jpclett.5b01591. hdl : 11343/209007 . PMID  26722889.
  7. ^ ab N. Mardirossian; M. Head-Gordon (2016). «Насколько точны функционалы плотности Миннесоты для нековалентных взаимодействий, энергий изомеризации, термохимии и высот барьеров с участием молекул, состоящих из элементов основной группы?». Journal of Chemical Theory and Computation . 12 (9): 4303–4325. doi :10.1021/acs.jctc.6b00637. OSTI  1377487. PMID  27537680. S2CID  5479661.
  8. ^ ab Taylor, DeCarlos E.; Ángyán, János G.; Galli, Giulia; Zhang, Cui; Gygi, Francois; Hirao, Kimihiko; Song, Jong Won; Rahul, Kar; Anatole von Lilienfeld, O. (2016-09-23). ​​"Слепой тест методов на основе функционала плотности на энергиях межмолекулярного взаимодействия". The Journal of Chemical Physics . 145 (12): 124105. Bibcode :2016JChPh.145l4105T. doi :10.1063/1.4961095. hdl : 1911/94780 . ISSN  0021-9606. PMID  27782652.
  9. ^ Kepp, Kasper P. (2017-03-09). "Benchmarking Density Functionals for Chemical Bonds of Gold" (PDF) . Журнал физической химии A. 121 ( 9): 2022–2034. Bibcode : 2017JPCA..121.2022K. doi : 10.1021/acs.jpca.6b12086. ISSN  1089-5639. PMID  28211697. S2CID  206643889.
  10. ^ Медведев, Михаил Г.; Бушмаринов, Иван С.; Сан, Цзяньвэй; Пердью, Джон П.; Лысенко, Константин А. (2017-01-06). «Теория функционала плотности сбивается с пути к точному функционалу». Science . 355 (6320): 49–52. Bibcode :2017Sci...355...49M. doi :10.1126/science.aah5975. ISSN  0036-8075. PMID  28059761. S2CID  206652408.
  11. ^ ab Брорсен, Курт Р.; Янг, Янг; Пак, Майкл В.; Хаммес-Шиффер, Шарон (2017). «Коррелирована ли точность теории функционала плотности для энергий атомизации и плотностей в областях связывания?». J. Phys. Chem. Lett . 8 (9): 2076–2081. doi :10.1021/acs.jpclett.7b00774. PMID  28421759.
  12. ^ Гулд, Тим (2017). «Что делает аппроксимацию функционала плотности хорошей? Взгляд из левой функции Фукуи». J. Chem. Theory Comput . 13 (6): 2373–2377. doi :10.1021/acs.jctc.7b00231. hdl : 10072/348655 . PMID  28493684.
  13. ^ Y. Zhao, NE Schultz & DG Truhlar (2005). "Обменно-корреляционный функционал с широкой точностью для металлических и неметаллических соединений, кинетики и нековалентных взаимодействий". Журнал химической физики . 123 (16): 161103. Bibcode : 2005JChPh.123p1103Z. doi : 10.1063/1.2126975. PMID  16268672.
  14. ^ ab Y. Zhao, NE Schultz & DG Truhlar (2006). «Проектирование функционалов плотности путем комбинирования метода удовлетворения ограничений с параметризацией для термохимии, термохимической кинетики и нековалентных взаимодействий». Журнал химической теории и вычислений . 2 (2): 364–382. doi :10.1021/ct0502763. PMID  26626525. S2CID  18998235.
  15. ^ Линь, Ю-Шэн; Цай, Чэнь-Вэй; Ли, Гуань-Дэ и Чай, Дженг-Да (2012). «Гибридные мета-обобщенные градиентные приближения с поправками на дисперсию с дальними поправками». Журнал химической физики . 136 (15): 154109. arXiv : 1201.1715 . Bibcode : 2012JChPh.136o4109L. doi : 10.1063/1.4704370. PMID  22519317. S2CID  16662593.
  16. ^ Y. Zhao & DG Truhlar (2006). "Новый локальный функционал плотности для термохимии основных групп, связывания переходных металлов, термохимической кинетики и нековалентных взаимодействий". Журнал химической физики . 125 (19): 194101. Bibcode : 2006JChPh.125s4101Z. CiteSeerX 10.1.1.186.6548 . doi : 10.1063/1.2370993. PMID  17129083. 
  17. ^ Ин Ван; Синьшэн Цзинь; Хаоюй С. Ю; Дональд Г. Трулар и Сяо Хеа (2017). «Пересмотренный функционал M06-L для повышения точности определения высоты барьера химической реакции, нековалентных взаимодействий и физики твердого тела». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 114 (32): 8487–8492. Bibcode :2017PNAS..114.8487W. doi : 10.1073/pnas.1705670114 . PMC 5559035 . PMID  28739954. 
  18. ^ abc Y. Zhao & DG Truhlar (2008). «Набор функционалов плотности M06 для термохимии основных групп, термохимической кинетики, нековалентных взаимодействий, возбужденных состояний и переходных элементов: два новых функционала и систематическое тестирование четырех функционалов класса M06 и 12 других функционалов». Theor Chem Acc . 120 (1–3): 215–241. doi : 10.1007/s00214-007-0310-x .
  19. ^ Y. Wang; P. Verma; X. Jin; DG Truhlar & X. He (2018). «Пересмотренный функционал плотности M06 для химии основных групп и переходных металлов». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 115 (41): 10257–10262. Bibcode : 2018PNAS..11510257W. doi : 10.1073/pnas.1810421115 . PMC 6187147. PMID  30237285 . 
  20. ^ ab Mardirossian, Narbe; Head-Gordon, Martin (2017-10-02). "Тридцать лет теории функционала плотности в вычислительной химии: обзор и обширная оценка 200 функционалов плотности". Молекулярная физика . 115 (19): 2315–2372. Bibcode : 2017MolPh.115.2315M. doi : 10.1080/00268976.2017.1333644 . ISSN  0026-8976.
  21. ^ Y. Zhao & DG Truhlar (2006). «Функционал плотности для спектроскопии: отсутствие ошибки самовзаимодействия на больших расстояниях, хорошие характеристики для состояний Ридберга и переноса заряда и лучшие характеристики в среднем, чем B3LYP для основных состояний». Журнал физической химии A. 110 ( 49): 13126–13130. Bibcode : 2006JPCA..11013126Z. doi : 10.1021/jp066479k. PMID  17149824.
  22. ^ Линь, Ю-Шэн; Ли, Гуань-Дэ; Мао, Шань-Пин и Чай, Дженг-Да (2013). «Дальнодействующие скорректированные гибридные функционалы плотности с улучшенными поправками на дисперсию». J. Chem. Theory Comput . 9 (1): 263–272. arXiv : 1211.0387 . doi :10.1021/ct300715s. PMID  26589028. S2CID  13494471.
  23. ^ ab Y. Zhao & DG Truhlar (2008). «Изучение предела точности глобального гибридного функционала метаплотности для термохимии основных групп, кинетики и нековалентных взаимодействий». Журнал химической теории и вычислений . 4 (11): 1849–1868. doi :10.1021/ct800246v. PMID  26620329.
  24. ^ Р. Певерати и Д. Г. Трулар (2012). «M11-L: Функционал локальной плотности, обеспечивающий повышенную точность расчетов электронной структуры в химии и физике». Journal of Physical Chemistry Letters . 3 (1): 117–124. doi : 10.1021/jz201525m .
  25. ^ Р. Певерати и Д. Г. Трулар (2011). «Улучшение точности гибридных функционалов плотности Meta-GGA путем разделения диапазонов». Journal of Physical Chemistry Letters . 2 (21): 2810–2817. doi : 10.1021/jz201170d .
  26. ^ P. Verma; Y. Wang; S. Ghosh; X. He & DG Truhlar (2019). «Пересмотренный функционал обмена-корреляции M11 для энергий электронного возбуждения и свойств основного состояния». Журнал физической химии A. 123 ( 13): 2966–2990. Bibcode : 2019JPCA..123.2966V. doi : 10.1021/acs.jpca.8b11499. PMID  30707029. S2CID  73431138.
  27. ^ R. Peverati & DG Truhlar (2012). «Обменно-корреляционный функционал с хорошей точностью для структурных и энергетических свойств, зависящий только от плотности и ее градиента». Journal of Chemical Theory and Computation . 8 (7): 2310–2319. doi : 10.1021/ct3002656 . PMID  26588964.
  28. ^ R. Peverati & DG Truhlar (2012). «Улучшенное и в целом точное локальное приближение к функционалу плотности обмена–корреляции: функционал MN12-L для расчетов электронной структуры в химии и физике». Физическая химия Химическая физика . 14 (38): 13171–13174. Bibcode :2012PCCP...1413171P. doi :10.1039/c2cp42025b. PMID  22910998.
  29. ^ R. Peverati & DG Truhlar (2012). «Экранный обменный функционал плотности с широкой точностью для химии и физики твердого тела». Physical Chemistry Chemical Physics . 14 (47): 16187–91. Bibcode :2012PCCP...1416187P. doi :10.1039/c2cp42576a. PMID  23132141.
  30. ^ Ю, Хаоюй С.; Хэ, Сяо; Ли, Шаохонг Л. и Трулар, Дональд Г. (2016). «MN15: Глобально-гибридный функционал плотности обмена–корреляции Кона–Шэма с широкой точностью для систем с несколькими и одной референтной группой и нековалентных взаимодействий». Chem. Sci . 7 (8): 5032–5051. doi :10.1039/C6SC00705H. PMC 6018516. PMID 30155154  . 
  31. ^ Ю, Хаоюй С.; Хе, Сяо и Трулар, Дональд Г. (2016). «MN15-L: новый локальный обменно-корреляционный функционал для теории функционала плотности Кона–Шэма с широкой точностью для атомов, молекул и твердых тел». J. Chem. Theory Comput . 12 (3): 1280–1293. doi :10.1021/acs.jctc.5b01082. PMID  26722866.
  • Группа Трухлар
  • Базы данных Миннесоты по химии и физике
  • Последняя обзорная статья о работе функционалов Миннесоты
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Minnesota_functionals&oldid=1231123504"