Fragmentation

Toward Accurate Calculations on Complex Molecular Systems
 
 
Standards Information Network (Verlag)
  • erschienen am 2. August 2017
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  • 376 Seiten
 
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978-1-119-12925-7 (ISBN)
 
Fragmentation: Toward Accurate Calculations on Complex Molecular Systems introduces the reader to the broad array of fragmentation and embedding methods that are currently available or under development to facilitate accurate calculations on large, complex systems such as proteins, polymers, liquids and nanoparticles. These methods work by subdividing a system into subunits, called fragments or subsystems or domains. Calculations are performed on each fragment and then the results are combined to predict properties for the whole system.
Topics covered include:
* Fragmentation methods
* Embedding methods
* Explicitly correlated local electron correlation methods
* Fragment molecular orbital method
* Methods for treating large molecules
This book is aimed at academic researchers who are interested in computational chemistry, computational biology, computational materials science and related fields, as well as graduate students in these fields.
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Edited by
MARK S. GORDON, Department of Chemistry, Iowa State University, Ames, USA
1 - Fragmentation [Seite 3]
2 - Contents [Seite 7]
3 - List of Contributors [Seite 13]
4 - Preface [Seite 17]
5 - 1 Explicitly Correlated Local Electron Correlation Methods [Seite 19]
5.1 - 1.1 Introduction [Seite 19]
5.2 - 1.2 Benchmark Systems [Seite 21]
5.3 - 1.3 Orbital-Invariant MP2 Theory [Seite 24]
5.4 - 1.4 Principles of Local Correlation [Seite 27]
5.5 - 1.5 Orbital Localization [Seite 28]
5.6 - 1.6 Local Virtual Orbitals [Seite 30]
5.6.1 - 1.6.1 Pseudo-Canonical Pair-Specific Orbitals [Seite 30]
5.6.2 - 1.6.2 Projected Atomic Orbitals [Seite 34]
5.6.3 - 1.6.3 Pair Natural Orbitals [Seite 36]
5.6.4 - 1.6.4 Linear Scaling PNO Generation [Seite 40]
5.6.5 - 1.6.5 Orbital-Specific Virtuals (OSVs) [Seite 41]
5.7 - 1.7 Choice of Domains [Seite 42]
5.8 - 1.8 Approximations for Distant Pairs [Seite 44]
5.8.1 - 1.8.1 Bipolar Multipole Approximations of Electron Repulsion Integrals [Seite 44]
5.8.2 - 1.8.2 Approximations of Distant Pair Energies [Seite 47]
5.9 - 1.9 Local Coupled-Cluster Methods (LCCSD) [Seite 51]
5.9.1 - 1.9.1 Weak Pair Approximations [Seite 53]
5.9.2 - 1.9.2 Long-Range Cancellations of Terms in the LCCSD Equations [Seite 54]
5.9.3 - 1.9.3 Projection Approximations [Seite 57]
5.10 - 1.10 Triple Excitations [Seite 59]
5.11 - 1.11 Local Explicitly Correlated Methods [Seite 59]
5.11.1 - 1.11.1 PNO-LMP2-F12 [Seite 60]
5.11.2 - 1.11.2 PNO-LCCSD-F12 [Seite 67]
5.12 - 1.12 Technical Aspects [Seite 71]
5.12.1 - 1.12.1 Local Density Fitting [Seite 71]
5.12.2 - 1.12.2 Parallelization [Seite 74]
5.13 - 1.13 Comparison of Local Correlation and Fragment Methods [Seite 75]
5.14 - 1.14 Summary [Seite 78]
5.15 - Appendix A: The LCCSD Equations [Seite 81]
5.16 - Appendix B: Derivation of the Interaction Matrices [Seite 83]
5.17 - References [Seite 85]
6 - 2 Density and Potential Functional Embedding: Theory and Practice [Seite 99]
6.1 - 2.1 Introduction [Seite 99]
6.2 - 2.2 Theoretical Background [Seite 100]
6.3 - 2.3 Density Functional Embedding Theory [Seite 102]
6.3.1 - 2.3.1 Basic Theory [Seite 102]
6.3.1.1 - 2.3.1.1 Definition of the Embedding Potential [Seite 103]
6.3.1.2 - 2.3.1.2 Optimization Procedure [Seite 103]
6.3.2 - 2.3.2 Embedding Potential Construction-Implementations in Planewave Codes [Seite 104]
6.3.2.1 - 2.3.2.1 Implementation with Pseudopotentials in ABINIT [Seite 105]
6.3.2.2 - 2.3.2.2 Implementation with PAW in VASP [Seite 105]
6.3.2.3 - 2.3.2.3 Penalty Functions-Damping the Unphysical Oscillations [Seite 109]
6.3.2.4 - 2.3.2.4 Illustrative Example [Seite 111]
6.3.3 - 2.3.3 Embedded Cluster Calculations [Seite 112]
6.3.3.1 - 2.3.3.1 Calculation of Embedding Integrals [Seite 112]
6.3.3.2 - 2.3.3.2 Evaluation of the Total Energy [Seite 114]
6.3.3.3 - 2.3.3.3 Examples [Seite 115]
6.4 - 2.4 Potential Functional EmbeddingTheory [Seite 119]
6.4.1 - 2.4.1 Basic Theories and Technical Details [Seite 120]
6.4.1.1 - 2.4.1.1 Definition of Energies [Seite 120]
6.4.1.2 - 2.4.1.2 Optimized Effective Potential (OEP) Scheme for Exact Kinetic Energy [Seite 121]
6.4.1.3 - 2.4.1.3 Energy Gradient [Seite 122]
6.4.1.4 - 2.4.1.4 Summary of the Code Structure [Seite 123]
6.4.2 - 2.4.2 Illustrative Examples [Seite 124]
6.4.2.1 - 2.4.2.1 AlP Diatomic [Seite 125]
6.4.2.2 - 2.4.2.2 H2O on MgO (001) [Seite 126]
6.5 - 2.5 Summary and Outlook [Seite 127]
6.6 - Acknowledgments [Seite 129]
6.7 - References [Seite 129]
7 - 3 Modeling and Visualization for the Fragment Molecular Orbital Method with the Graphical User Interface FU, and Analyses of Protein-Ligand Binding [Seite 137]
7.1 - 3.1 Introduction [Seite 137]
7.2 - 3.2 Overview of FMO [Seite 138]
7.3 - 3.3 Methodology [Seite 138]
7.3.1 - 3.3.1 FMO/PCM Formulation in the Presence of Dummy Atoms [Seite 138]
7.3.2 - 3.3.2 New Analyses Defining the Desolvation Penalty in the Protein-Ligand Binding [Seite 140]
7.3.2.1 - 3.3.2.1 Asymmetric Binding Analysis (ABA) [Seite 140]
7.3.2.2 - 3.3.2.2 Symmetric Binding Analysis (SBA) [Seite 141]
7.3.2.3 - 3.3.2.3 Symmetric Binding Analysis with Separated Cavitation (SBAC) [Seite 141]
7.3.2.4 - 3.3.2.4 Fragment-Wise Elaboration of SBA in FMO [Seite 142]
7.3.2.5 - 3.3.2.5 Fragment-Wise Elaboration of SBAC [Seite 145]
7.3.3 - 3.3.3 Application of Analyses to Protein-Ligand Binding [Seite 145]
7.4 - 3.4 GUI Development [Seite 146]
7.4.1 - 3.4.1 Outline of FU [Seite 146]
7.4.2 - 3.4.2 Modeling and Result Visualization [Seite 147]
7.4.2.1 - 3.4.2.1 Modeling of an FKBP Protein Complex [Seite 147]
7.4.2.2 - 3.4.2.2 Creating FMO Input [Seite 147]
7.4.2.3 - 3.4.2.3 Running FMO in GAMESS [Seite 149]
7.4.2.4 - 3.4.2.4 Visualizing FMO Results [Seite 149]
7.4.3 - 3.4.3 An Overview of Using FU for a Complex System [Seite 151]
7.4.4 - 3.4.4 Examples of Scripting in FU [Seite 151]
7.4.4.1 - 3.4.4.1 Converting Multiple PDB Files into Z-matrix Files [Seite 151]
7.4.4.2 - 3.4.4.2 Drawing Dipole Moments with Arrows [Seite 153]
7.5 - 3.5 Conclusions [Seite 154]
7.6 - Acknowledgments [Seite 155]
7.7 - References [Seite 155]
8 - 4 Molecules-in-Molecules Fragment-Based Method for the Accurate Evaluation of Vibrational and Chiroptical Spectra for Large Molecules [Seite 159]
8.1 - 4.1 Introduction [Seite 159]
8.2 - 4.2 Computational Methods and Theory [Seite 160]
8.3 - 4.3 Results and Discussion [Seite 164]
8.3.1 - 4.3.1 MIM Method for Geometry Optimization [Seite 164]
8.3.2 - 4.3.2 MIM Method for Evaluating IR Spectra (MIM-IR) [Seite 164]
8.3.3 - 4.3.3 MIM Method for Evaluating Raman Spectra (MIM-Raman) [Seite 167]
8.3.4 - 4.3.4 MIM Method for Evaluating VCD Spectra (MIM-VCD) [Seite 169]
8.3.5 - 4.3.5 MIM Method for Evaluating ROA Spectra (MIM-ROA) [Seite 172]
8.3.6 - 4.3.6 Two-Step-MIM Scheme for Evaluating Raman and ROA Spectra [Seite 174]
8.4 - 4.4 Summary [Seite 175]
8.5 - 4.5 Conclusions [Seite 176]
8.6 - Acknowledgments [Seite 177]
8.7 - References [Seite 177]
9 - 5 Effective Fragment Molecular Orbital Method [Seite 183]
9.1 - 5.1 Introduction [Seite 183]
9.1.1 - 5.1.1 Effective Fragment Potentials [Seite 184]
9.1.2 - 5.1.2 Fragment Molecular Orbital Method [Seite 185]
9.2 - 5.2 Effective Fragment Molecular Orbital Method [Seite 186]
9.2.1 - 5.2.1 Correlation Energies in the EFMO Method [Seite 188]
9.2.2 - 5.2.2 The EFMO Gradient [Seite 190]
9.2.3 - 5.2.3 Timings and Computational Efficiency [Seite 191]
9.2.4 - 5.2.4 Biochemistry with EFMO [Seite 192]
9.2.5 - 5.2.5 Fully Integrated EFMO [Seite 196]
9.2.6 - 5.2.6 Remarks, Notes, and Comments [Seite 197]
9.3 - 5.3 Summary and Future Developments [Seite 198]
9.4 - References [Seite 198]
10 - 6 Effective Fragment Potential Method: Past, Present, and Future [Seite 201]
10.1 - 6.1 Overview of the EFP Method [Seite 201]
10.2 - 6.2 Milestones in the Development of the EFP Method [Seite 203]
10.2.1 - 6.2.1 EFP1 Water Model [Seite 203]
10.2.2 - 6.2.2 EFP (EFP2) General Model [Seite 205]
10.3 - 6.3 Present: Chemistry at Interfaces and Photobiology [Seite 210]
10.3.1 - 6.3.1 OH Radical Solvated inWater [Seite 210]
10.3.2 - 6.3.2 EFP for Macromolecules and Polymers [Seite 216]
10.4 - 6.4 Future Directions and Outlook [Seite 220]
10.5 - References [Seite 221]
11 - 7 Nucleation Using the Effective Fragment Potential and Two-Level Parallelism [Seite 227]
11.1 - 7.1 Introduction [Seite 227]
11.2 - 7.2 Methods [Seite 229]
11.2.1 - 7.2.1 Brief Overview of DNTMC [Seite 229]
11.2.2 - 7.2.2 Brief Overview of EFP [Seite 231]
11.2.3 - 7.2.3 Overview of the Two-Level Parallelism Approach [Seite 233]
11.3 - 7.3 Results [Seite 235]
11.3.1 - 7.3.1 Evaporation Rate of Water Hexamer Cluster at 243K [Seite 235]
11.3.2 - 7.3.2 Ion Mediated Nucleation [Seite 236]
11.3.3 - 7.3.3 Evaporation Rate of Sulfuric Acid from Neutral Sulfuric Acid Dimer Clusters [Seite 237]
11.3.4 - 7.3.4 Two-Level Parallel DNTEFP Performance Analysis [Seite 239]
11.4 - 7.4 Conclusions [Seite 241]
11.5 - Acknowledgments [Seite 241]
11.6 - References [Seite 242]
12 - 8 Five Years of Density Matrix Embedding Theory [Seite 245]
12.1 - 8.1 Quantum Entanglement [Seite 245]
12.2 - 8.2 Density Matrix EmbeddingTheory [Seite 246]
12.3 - 8.3 Bath Orbitals from a Slater Determinant [Seite 248]
12.4 - 8.4 The Embedding Hamiltonian [Seite 250]
12.5 - 8.5 Self-Consistency [Seite 252]
12.6 - 8.6 Green's Functions [Seite 254]
12.7 - 8.7 Overview of the Literature [Seite 255]
12.8 - 8.8 The One-Band Hubbard Model on the Square Lattice [Seite 255]
12.9 - 8.9 Dissociation of a Linear Hydrogen Chain [Seite 258]
12.10 - 8.10 Summary [Seite 258]
12.11 - Acknowledgments [Seite 259]
12.12 - References [Seite 259]
13 - 9 Ab initio Ice, Dry Ice, and Liquid Water [Seite 263]
13.1 - 9.1 Introduction [Seite 263]
13.2 - 9.2 Computational Method [Seite 265]
13.2.1 - 9.2.1 Internal Energy [Seite 266]
13.2.2 - 9.2.2 Structure and Phonons [Seite 268]
13.2.3 - 9.2.3 Spectra [Seite 269]
13.2.4 - 9.2.4 Pressure Effects [Seite 270]
13.2.5 - 9.2.5 Temperature Effects [Seite 271]
13.2.6 - 9.2.6 Born-Oppenheimer Molecular Dynamics [Seite 273]
13.3 - 9.3 Case Studies [Seite 274]
13.3.1 - 9.3.1 Ice-Ih [Seite 274]
13.3.2 - 9.3.2 Ice-HDA [Seite 277]
13.3.3 - 9.3.3 Ice-VIII [Seite 280]
13.3.4 - 9.3.4 Liquid Water [Seite 284]
13.3.5 - 9.3.5 CO2-I: Pressure Tuning of Fermi Resonance [Seite 290]
13.3.6 - 9.3.6 CO2-I and III: Solid-Solid Phase Transition [Seite 295]
13.3.7 - 9.3.7 CO2-I: Thermal Expansion [Seite 298]
13.4 - 9.4 Concluding Remarks [Seite 302]
13.5 - 9.5 Disclaimer [Seite 302]
13.6 - Acknowledgments [Seite 302]
13.7 - References [Seite 303]
14 - 10 A Linear-Scaling Divide-and-Conquer Quantum Chemical Method for Open-Shell Systems and Excited States [Seite 315]
14.1 - 10.1 Introduction [Seite 315]
14.2 - 10.2 Theories for the Divide-and-Conquer Method [Seite 316]
14.2.1 - 10.2.1 Review of DC-SCF and DC-Based Correlation Theories [Seite 316]
14.2.1.1 - 10.2.1.1 DC-HF/DFT [Seite 316]
14.2.1.2 - 10.2.1.2 DC-Based Correlation Theory [Seite 318]
14.2.1.3 - 10.2.1.3 Dual-Buffer DC-Based Correlation Method [Seite 319]
14.2.2 - 10.2.2 Linear-Scaling Divide-and-Conquer Method for Open-Shell Systems [Seite 320]
14.2.2.1 - 10.2.2.1 DC-USCF and DC-UMP2 [Seite 320]
14.2.2.2 - 10.2.2.2 Expected Value of the Squared Spin Operator ?S2 [Seite 322]
14.2.3 - 10.2.3 Linear-Scaling Divide-and-Conquer Method for Excited-State Calculations [Seite 322]
14.2.3.1 - 10.2.3.1 DC-CIS/TDDFT [Seite 322]
14.2.3.2 - 10.2.3.2 DC-SAC/SACCI [Seite 323]
14.3 - 10.3 Assessment of the Divide-and-Conquer Method [Seite 325]
14.3.1 - 10.3.1 Divide-and-Conquer Calculations for Open-Shell Systems [Seite 325]
14.3.1.1 - 10.3.1.1 DC-USCF and DC-UMP2 [Seite 325]
14.3.2 - 10.3.2 Excited-State Calculations based on the Divide-and-Conquer Method [Seite 331]
14.3.2.1 - 10.3.2.1 Conjugated Aldehyde [Seite 331]
14.3.2.2 - 10.3.2.2 Photoactive Yellow Protein [Seite 333]
14.4 - 10.4 Conclusion [Seite 336]
14.5 - References [Seite 337]
15 - 11 MFCC-Based Fragmentation Methods for Biomolecules [Seite 341]
15.1 - 11.1 Introduction [Seite 341]
15.2 - 11.2 Theory and Applications [Seite 342]
15.2.1 - 11.2.1 The MFCC Approach [Seite 342]
15.2.2 - 11.2.2 Electron Density and Total Energy [Seite 344]
15.2.3 - 11.2.3 The EE-GMFCC Method for Energy Calculation [Seite 346]
15.2.4 - 11.2.4 The EE-GMFCC-CPCM Method for Protein Solvation Energy [Seite 349]
15.2.5 - 11.2.5 The EE-GMFCC-CPCM Method for Protein-Ligand Binding Energy [Seite 355]
15.2.6 - 11.2.6 The EE-GMFCC Method for Geometry Optimization and Vibrational Spectrum of Proteins [Seite 356]
15.2.7 - 11.2.7 The EE-GMFCC-Based Ab Initio Molecular Dynamics for Proteins [Seite 358]
15.3 - 11.3 Conclusion [Seite 363]
15.4 - Acknowledgments [Seite 364]
15.5 - References [Seite 364]
16 - Index [Seite 367]
17 - EULA [Seite 377]

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