解析-数值积分混合的Fock-Like矩阵算法及在BDF程序中的应用

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21873077
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0311.化学程序与软件
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

In the integral-direct quantum chemistry methods such as Hartree-Fock, DFT, TDDFT and MCSCF, the key step is to calculate the Fock-like matrix, in which the two-electron repulsive integrals (ERIs) and first and second order derivatives of ERIs are computed and contracted with the density matrix on-the-fly to construct the Coulomb (J) and exchange (K) operators. To improve the computational efficiency of Beijing Density Functional Package (BDF), 1) This project will develop a new analytic-numerical hybrid integration algorithm to calculate the Fock-Like matrix. In this approach, the analytic integral of the Gaussian basis functions and the numeric integration scheme based on the multipole expansion will be used to calculate the Coulomb operator while a semi-numerical integration scheme will be used to calculate the exchange operator. 2) The analytic-numerical hybrid integration approach will be extended to calculate the first and second order derivatives of HF, DFT, TDDFT and MCSCF, as well as molecular properties such as the nuclear magnetic resonance (NMR) and the dipole polarizability. 3) Some basic functions in BDF such as the molecular geometry optimization of the ground and excited states, the vibrational analyze,the transition dipole and QM/MM will be enhanced. To demonstrate the capability of the BDF package, the luminance mechanism of some typical metal-organic and organic conjugated molecules will be studied. These works will make BDF not only a more friendly theoretical and algorithmic research platform, but also a practical tool for the broader users.
双电子排斥积分及其一阶、二阶导数与密度矩阵收缩构造Fock-Like矩阵是常用量子化学方法,如Hartree-Fock、DFT、TDDFT及MCSCF等的核心计算任务。本项目拟发展:1)高效的高斯解析积分—多极展开数值积分混合驱动的Fock-Like矩阵算法,利用解析积分和多极展开计算库伦算符,半数值方法计算交换算符,用于HF、DFT、TDDFT和MCSCF等计算;2)高斯解析积分和多极展开数值积分混合的一阶、二阶导数算法,用于能量梯度、二阶导数及NMR、极化率等分子性质计算;3)以金属有机和有机共轭分子的发光机理为示范应用,完善BDF(Beijing Density Functional Package)的分子基态、激发态几何结构优化、频率分析、跃迁矩及QM/MM等计算功能。本项目的研究将提高BDF核心模块的计算效率,使BDF完成从量子化学理论与算法研究平台到更普遍的应用研究工具的跨越。

结项摘要

大多数量子化学方法,如Hartree-Fock,DFT,TDDFT等的主要瓶颈在于Fock-Like矩阵,即库伦和交换矩阵的计算。本项目在BDF(Beijing Density Functional)程序中发展了解析和多级展开库伦势(analytical and Multipole expension for Coulomb potential - aMECP)计算库伦矩阵,改进的半数值COSX方法(Chain-of-Sphere Exchange - COSX)计算交换矩阵。其中,aMPEC基于将库伦相互作用“分而治之”的思想,通过密度矩阵的分解,将与原子占据壳层的库伦相互作用用解析积分处理,其余的用半数值或纯数值方式计算,在保证计算精度的同时,提高了计算效率。对于COSX方法,我们改进了积分格点、积分格点对基组的筛选等计算细节。测试表明,aMEPC+COSX方法的精度对不同的基组是稳定的。对一个包含20个分子(Mole20)的测试集,Hartree-Fock能量的平均绝对偏差(Mean absolute error - MAE)大约为4μΗ/atom,其中aMPEC方法的精度约为2μΗ/atom,COSX方法精度约为4μΗ/atom。对化学反应能垒,分子异构化能计算误差在0.1Kcal/mol之内;对TDDFT激发能误差在0.005eV之内。aMPEC+COSX相比与精确的解析积分精确算法,在cc-pVTZ级别的基组下,计算Mole20分子DFT能量及梯度平均加速8.25和5.01倍,MPEC+COSX方法计算TDDFT能量平均加速20.63倍。此外,我们还基于紧束缚近似的半经验哈密顿,发展了加速SCF迭代收敛的算法。测试表明,新方法对传统的DIIS+Leve Shift难以收敛的体系可以加速40%。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Finite-field calculation of electric quadrupole moments of P-2(3/2), D-2(3/2,5/2), and F-2(5/2,7/2) states for Yb+ ion
Yb离子P-2(3/2)、D-2(3/2,5/2)、F-2(5/2,7/2)态电四极矩的有限场计算
  • DOI:
    10.1088/1674-1056/ab821c
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Chinese Physics B
  • 影响因子:
    1.7
  • 作者:
    Guo Xi-Tong;Yu Yan-Mei;Liu Yong;Suo Bing-Bing
  • 通讯作者:
    Suo Bing-Bing
New implementation of spin‐orbit coupling calculation on multi‐configuration electron correlation theory
多构型电子关联理论自旋轨道耦合计算的新实现
  • DOI:
    10.1002/qua.26772
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    International Journal of Quantum Chemistry
  • 影响因子:
    2.2
  • 作者:
    Qianlong Zhou;Bingbing Suo
  • 通讯作者:
    Bingbing Suo
GridMol2 .0: Implementation and application of linear‐scale quantum mechanics methods and molecular visualization
GridMol2 .0:线性尺度量子力学方法和分子可视化的实现和应用
  • DOI:
    10.1002/qua.26402
  • 发表时间:
    2020-12
  • 期刊:
    International Journal of Quantum Chemistry
  • 影响因子:
    2.2
  • 作者:
    Baohua Zhang;Yingjin Ma;Xinsheng Jin;Ying Wang;Bingbing Suo;Xiao He;Zhong Jin
  • 通讯作者:
    Zhong Jin
Theoretical studies on the photophysical property of 3DPyM-pDTC in solution and in the solid phase
3DPyM-pDTC溶液和固相光物理性质的理论研究
  • DOI:
    10.1016/j.cplett.2022.139727
  • 发表时间:
    2022-05
  • 期刊:
    Elsevier
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Gaiyan Wu;Bingbing Suo;Wenli Zou
  • 通讯作者:
    Wenli Zou
基于GPU的Hartree-Fock与密度泛函算法及程序
  • DOI:
    10.6023/a21020044
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    化学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王岩;田英齐;金钟;索兵兵
  • 通讯作者:
    索兵兵

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其他文献

基于空穴-粒子对偶的内收缩多参考态二级微扰理论
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    中国科学:化学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    宋齐;索兵兵;王育彬;文振翼
  • 通讯作者:
    文振翼
第一性原理研究O和S掺杂的石墨相氮化碳(g-C_3N_4)_6量子点电子结构和光吸收性质
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    物理学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    翟顺成;郭平;郑继明;赵普举;索兵兵;万云
  • 通讯作者:
    万云
Involvement of Excited State i
激发态 i 的参与
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    雷依波;索兵兵;李安阳;豆育升
  • 通讯作者:
    豆育升
The potential energy curves of
的势能曲线
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    韩慧仙;索兵兵;姜振益;王育彬
  • 通讯作者:
    王育彬
Parallelization of MRCI based
基于MRCI的并行化
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    索兵兵;翟高红;王育彬;文振翼
  • 通讯作者:
    文振翼

其他文献

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AI技术路线图

索兵兵的其他基金

基于多参考态组态相互作用的自旋-轨道耦合计算方法和程序实现
  • 批准号:
    21673174
  • 批准年份:
    2016
  • 资助金额:
    65.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
基于局域分子轨道的高效多组态自洽场方法及程序
  • 批准号:
    21203147
  • 批准年份:
    2012
  • 资助金额:
    24.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
过渡金属化合物光谱的理论研究
  • 批准号:
    10747006
  • 批准年份:
    2007
  • 资助金额:
    10.0 万元
  • 项目类别:
    专项基金项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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