CC BY
57
Успехи химии. - 75(12). - 2006. - С. 1193-1211.
2.Талашова И.А., Силантьева Т.А. Лабораторное выделение кальцийфосфатных соединений из костной ткани крупного рогатого скота и определение их состава методом электронно-зондового микроанализа// Гений ортопедии. - 2007. - № 4. - С. 71-75.
3. Талашова И.А., Кононович Н.А., Силантьева Т.А. Возмеще-
ние дефектов губчатой кости животных// Ветеринария. - 2009. - №8. - С. 51-54.
УДК 544.18
Ю.В. Баитов, Б.С. Воронцов
Курганский государственный университет
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ GAMESS В КАЧЕСТВЕ МОДУЛЯ КВАНТОВОХИМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ДЛЯ HYPERCHEM
Аннотация
В работе рассматриваются технические аспекты применения программного пакета GAMESS в качестве модуля для проведения квантовохимических расчетов к программе Hypercube HyperChem, а также специально разработанное вспомогательное программное обеспечение, реализующее данное взаимодействие на практике.
Ключевые слова: GAMESS, HyperChem, компьютерные программы для квантовохимических расчетов, квантовохимические вычисления.
Y.V. Baitov, B.S. Vorontsov Kurgan State University
GAMESS USAGE AS A QUANTUM-CHEMICAL CALCULATION PLUG-IN FOR HYPERCHEM
Annotation
The article considers technical practicalities of GAMESS software usage as HyperChem plug-in for quantum-chemical calculations as well as specially developed subsidiary application that implements the interaction in practice.
Keywords: GAMESS, HyperChem, computer applications for quantum-chemical calculations, quantum-chemical computations.
Введение
Программный комплекс HyperChem, обладая набором неоспоримых достоинств, получил широкое распространение в образовательной среде и пользуется популярностью у начинающих исследователей. Среди особенностей этой программы стоит отметить интуитивно-понятный и дружелюбный пользовательский графический интерфейс, обширный каталог молекулярных фрагментов, облегчающий задание исходной геометрии, модуль трехмерной визуализации структуры соединений, возможность выполнения кван-114
товохимических вычислений [1]. Однако целый ряд недостатков не позволяет использовать HyperChem в качестве основного инструмента для ведения профессиональных исследований, а именно: ограниченный выбор базисных наборов и методов учета электронной корреляции, неэффективные с точки зрения точности результатов и расходования ресурсов компьютера встроенные процедуры квантовохимических вычислений.
Программный пакет GAMESS, напротив, заслужил популярность благодаря хорошему набору расчетных методов, высокой скорости вычислений и бесплатной лицензии, однако отсутствие графического интерфейса значительно усложняет процесс работы с программой. Так, исходные данные и результаты расчетов GAMESS представляются исключительно в текстовой форме.
В данной ситуации интерес представляет совместное применение двух программ: задание исходной геометрии и наглядное представление (интерпретация) результатов вычислений графически в HyperChem, проведение непосредственно квантовохимических расчетов при помощи GAMESS. Реализация такого взаимодействия и стала целью работы, описываемой в настоящей статье.
1. Описание принципа совместной работы
Программные комплексы HyperChem и GAMESS
развивались независимо друг от друга и не содержат встроенного функционала для какого-либо взаимодействия. По этой причине было необходимо разработать промежуточное программное обеспечение (далее -ПО), выполняющее роль связующего элемента для обеспечения обмена данными между двумя программами, в задачи которого входило: предоставление пользователю графического интерфейса для задания параметров квантовохимических расчетов, получение из HyperChem необходимых для выбранного типа вычислений данных и подготовка на их основе расчетного задания GAMESS, запуск GAMESS с указанием сгенерированного расчетного задания для выполнения вычислений, ожидание завершения вычислений и контроль отсутствия зафиксированных ошибок в работе GAMESS, в случае успешного завершения расчетов разбор выходного файла GAMESS и передача результатов вычислений HyperChem. Ниже кратко рассмотрены способы доступа к данным HyperChem.
2. Программные интерфейсы HyperChem
С выходом пятой версии в HyperChem появился инструментарий разработчика, позволяющий автоматизировать выполнение некоторых операций и получить доступ в том числе сторонним приложениям, к исходной информации о структуре и характеристиках молекул, а также манипулировать этими данными [2]. Благодаря нововведению стало возможным расширить область применения программы, в частности использовать сторонние пакеты для осуществления квантовохимических расчетов с последующей передачей результатов в HyperChem.
Для взаимодействия с HyperChem разработчикам предлагается использовать:
• набор переменных состояния (HSV -
ВЕСТНИК КГУ, 2011. №2
HyperChem State Variable), предоставляющих доступ к более чем 350 параметрам, в том числе моделируемых химических соединений;
• встроенный скриптовый язык Hcl (HyperChem Command Language - командный язык HyperChem); содержит команды 4 типов: чтения переменных состояния (HSV), записи переменных состояния (HSV), вызова команд стандартного меню HyperChem, непосредственного вызова некоторых встроенных в HyperChem процедур;
• встроенный интерпретируемый язык Tcl (Tool Command Language - командный язык инструментов) с библиотекой для построения пользовательских интерфейсов Tk (Toolkit); высокоуровневый язык программирования, разработанный Джоном Оустерхаутом (John Ousterhout) во время работы в университете Калифорнии в Беркли. Поставляемая библиотека функций содержит возможность запуска сценариев Hcl и чтения возвращаемых ими значений;
• интерфейс DDE (Dynamic Data Exchange -динамический обмен данными); посредством технологии DDE программы Windows вне зависимости от языка, на котором они написаны, могут передавать HyperChem команды языка Hcl на исполнение и получать возвращаемые ими значения;
• программный интерфейс HAPI (HyperChem Application Programming Interface - интерфейс прикладного программирования HyperChem); представляет собой надстройку над технологией DDE для языков программирования C и Fortran.
3. Разработанное программное обеспечение, реализующее взаимодействие GAMESS и HyperChem
Справедливости ради стоит отметить, что восьмая версия HyperChem уже поставляется с примером программы на языке C++, обеспечивающей вызов нескольких расчетных методов GAMESS и возвращение результатов, однако архитектура программы не может быть признана удовлетворительной для дальнейшего наращивания ее функционала. Как следует из заявлений самих разработчиков, пример был призван лишь продемонстрировать потенциальные возможности применения HyperChem в качестве графического интерфейса к сторонним расчетным программам.
После изучения примера было принято решение разработать более универсальное промежуточное ПО для реализации взаимодействия двух программ, возможности которого можно было бы расширять со временем.
В основу разработки легла идея использования шаблонов для подготовки заданий GAMESS в противоположность генерации текста задания целиком в коде программы, как это было сделано в демонстрационном примере. Такая схема работы позволяет исследователю иметь больший контроль над параметрами работы GAMESS и при необходимости корректировать их, не внося каких-либо изменений в программный код.
Шаблон представляет собой текстовый входной файл GAMESS, уже содержащий общий текст расчетного задания, со специальными метками, которые
СЕРИЯ «ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ», ВЫПУСК 4
в процессе работы промежуточного ПО непосредственно перед запуском GAMESS заменяются на конкретные значения. Метки представляют собой текст, обрамленный символом «%» и подразделяются на два вида, каждый из которых обрабатывается программой по-разному:
• метки, содержащие имена переменных состояния (HSV) - такие метки заменяются значением прочитанной из HyperChem одноименной переменной состояния. Отличаются по наличию символа «=», предшествующему имени переменной;
• метки, содержащие зарезервированные ключевые слова - заменяются содержанием в соответствии с их смыслом. Используются для отражения заданных пользователем в интерфейсе промежуточного ПО параметров расчетов (к примеру, выбранного базиса и метода вычислений), а также в случаях, когда нет возможности использовать значение переменной HSV без предварительно обработки так, чтобы текст был впоследствии корректно воспринят GAMESS (касается, к примеру, задания координат атомов).
Разработка велась на языке программирования C# для платформы .Net Framework версии 2.0 и ориентирована для работы в операционной системе Windows. Взаимодействие с HyperChem осуществляется посредством передачи Hcl-сценариев с использованием технологии DDE Windows. В ходе проектирования активно использовалась документация к программному комплексу GAMESS [3].
В результате порядок работы с разработанным ПО с точки зрения пользователя выглядит следующим образом:
• пользователь задает исходную геометрию рассчитываемого соединения в программе HyperChem;
• вызывает из модифицированного меню HyperChem разработанное промежуточное ПО;
• указывает необходимый шаблон задания GAMESS;
• задает необходимые параметры для проведения квантовохимических расчетов, учитывающих возможности именно GAMESS;
• запускает расчетное задание. При этом промежуточным ПО формируется входной файл GAMESS на основе ранее выбранного шаблона, после чего происходит запуск GAMESS в качестве дочернего процесса. По окончании работы GAMESS осуществляется контроль корректности завершения GAMESS и разбор сгенерированного выходного файла с передачей прочитанных данных в HyperChem.
Существует возможность доступа пользователя к текстам сгенерированного промежуточным ПО входного файла GAMESS с описанием расчетного задания, а также выходного, сгенерированного GAMESS, с результатами вычислений.
На сегодня разработанное ПО позволяет проводить:
• одноточечный расчет;
• оптимизацию геометрии химических соединений;
• вибрационный анализ.
Поддерживается версия GAMESS (US), разраба-
115
тываемая группой Марка Гордона (Университет штата Айова, США).
В будущем планируется:
• расширить поддерживаемый набор методов квантовохимических расчетов, в том числе сделать доступным использование метода функционала электронной плотности;
• расширить перечень доступных базисных наборов;
• добавить поддержку переработанной версии GAMESS (PC GAMESS), впоследствии переименованной в Firefly Project.
Заключение
Итогом работы стала функционирующая версия программного обеспечения, решающая поставленную задачу использования GAMESS в качестве расчетного модуля для Hyperchem. Стоит отметить, что разработанное ПО не предоставляет доступ ко всем возможностям программы GAMESS, однако благодаря стройной архитектуре оно может дорабатываться по мере необходимости, а новые расчетные задания в рамках существующих возможностей могут быть добавлены простой правкой текстовых шаблонов.
Совместное использование HyperChem и GAMESS позволяется задействовать сильные стороны каждого из программных продуктов, упрощая процесс научных изысканий.
Список литературы
1.Хурсан, С.Л., Семесько, Д.Г. Квантовая механика и квантовая химия. Конспекты лекций. - Уфа: ЧП Раянов, 2005. - 164 с.
2.HyperChem® for Windows and NT. The Chemist's Developer Kit (CDK): Customizing HyperChem, Interfacing to HyperChem / Hypercube, Inc. - 2002. - 298 с.
3.GAMESS User's Guide. Section 2 - Input Description -Department of Chemistry. Iowa State University. - Ames, 2009. - 361 с. // http://www.msg.ameslab.gov/gamess/ GAMESS_ManuaZinput.pdf, свободный. - Загл. с экрана.
УДК 541.18
А.В. Шаров, О.В. Филистеев
курганский государственный университет
ПРОТОЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОНОЭТАНОЛАМИНА, ПРИВИТОГО НА ПОВЕРХНОСТЬ СИЛИКАГЕЛЕЙ
Аннотация
Для описания протолитических свойств модифицированных моноэтаноламином силикагелей применялась обработка изотерм адсорбции ионов водорода с применением уравнения Лэнгмюра и модели непрерывного распределения констант равновесия. Построены и охарактеризованы кривые распределения групп по константам протонирования. Выявлена биографическая энергетическая неоднородность, одной из причин которой является неравномерное распределение аминогрупп по поверхности.
Ключевые слова: силикагель, моноэтаноламин, протонирование, уравнение Лэнгмюра, константы равновесия, изотерма сорбции.
A.V. Sharov, O.V. Filisteev
PROTOLYTIC PROPERTIES OF MONOETHANOLAMINE, GRAFTED ON THE SURFACE OF SILICA GEL
Annotation
The Langmuir equation and the equilibrium constants continuous distribution model used for describe the monoethanolamine modified silica gel protolytic properties. The protonation constants groups distribution curves constructed and characterized. Biographical energy heterogeneity revealed. One of the reasons that the unequal distribution of amino groups on the surface.
Key words: silica, monoethanolamine, protonation, the Langmuir equation, equilibrium constant, sorption isotherm.
ВВЕДЕНИЕ
Аморфные кремнеземы с привитыми на поверхность в составе какого-либо соединения аминогруппами широко используются в качестве сорбентов при очистке веществ, в высокоэффективной жидкостной хроматографии. Большинство таких материалов характеризуются энергетической неоднородностю в реакциях протонирования аминогрупп. Для ее описания применяют такие модели описания первоначальных зависимостей состав-свойчтво, как электростатическая, непрерывного распределения констант и т.д. [1]. Особенностью модели непрерывного распределения констант является использование уравнения Фред-гольма I рода, решение которого является некорректно поставленной задачей, что ведет к сильным отклонениям результатов решения при незначительных флуктуациях исходных данных. Вследствие этого описание протолитических и комплексообразующих свойств большинства модифицированных кремнеземов невозможно без применения особых численных методов. Так, Ю.В. Холиным с соавторами предложены численные методы корректного описания свойств объектов с применением модели непрерывного распределения [1]. Однако известны случаи адекватного применения уравнения Фредгольма I рода при описании комплексообразующих свойств некоторых объектов [2-4].
Ранее нами показано, что моноэтаноламин (МЭА) взаимодействует с поверхностью силикагелей с образованием сложноэфирной связи [5; 6]. Полученные модифицированные образцы обладают свойствами слабого основания и, возможно, характеризуются энергетической неоднородностью в реакциях протонирования. Приложение модели непрерывного распределения констант к описанию свойств данных объектов позволит расширить границы ее применимости, определить некоторые характеристики топографии поверхностных аминогрупп. Кроме этого, высоко акту-
116
ВЕСТНИК КГУ, 2011. №2
