2024年11月8日晚，化工系研一班首届计算化学零基础培训第三期通过线上会议的形式举办。本届培训活动主讲人为研一班班长、2023年国家奖学金获得者孟祥泽同学。
在前两期内容的基础上，本期讲座继续聚焦“如何具体使用计算化学解决实际科研问题”这一主题。主讲人通过详细的算例讲解，阐述了如果使密度泛函理论（DFT）与耦合簇理论（CC）相结合，计算键解离能以及反应标准摩尔Gibbs自由能垒，并简要介绍了如何实现计算任务自动化与数据处理效率提升。
键解离能的计算
首先，主讲人介绍了键解离能的计算。作为衡量化学键强度的重要物理量，键解离能广泛应用于分析化学反应机理。主讲人回顾了键解离能的标准定义，并强调其基于理想气体状态的假设，未考虑聚集态结构的影响。针对这一点，主讲人提出了一种可逆反应过程的设计方法，将理想气体状态下的计算结果向实际聚集态系统做近似推广，并强调了近似条件。
为了更好地理解这一过程，主讲人以聚乙烯链为例，讲解了键解离能的建模、计算及数据处理。在讲解过程中，主讲人通过展示大量的数据来总结规律，提出了“小体系研究大体系”的策略，即如何从小尺度的模型求解合理推导出大体系的真实情况，以达到“四两拨千斤”的效果。
反应标准摩尔Gibbs自由能垒
接下来，主讲人把话题转向了反应标准摩尔Gibbs自由能垒的计算，这一物理量在一定程度上间接反映了基元反应速率的大小。对于气相反应，通过反应标准摩尔Gibbs自由能垒与隧道效应校正相结合的方法，可直接求解理论反应速率系数。计算反应标准摩尔Gibbs自由能垒的核心在于过渡态的精确搜索。主讲人详细介绍了过渡态的两个关键特征：第一，过渡态结构的受力为零；第二，过渡态具有唯一的虚频振动模式。
在实际操作中，主讲人给出了两种过渡态初始结构建模的方法：第一种方法是通过建模软件直接获得较为合理的过渡态结构；第二种方法则是扫描特征坐标，观察单点能的变化趋势，并以曲线中的单峰位置为依据，选取其附近的结构作为初始结构。基于此，主讲人进一步讲解了过渡态搜索所需的输入文件结构、数据处理步骤以及如何绘制反应标准Gibbs自由能台阶图。同时，主讲人介绍了如何通过Truhlar方法、Grimme方法，以及Minenkov方法处理低频振动模式对标准摩尔Gibbs自由能的贡献。
▲乙烯醇—乙醛互变反应过渡态（单分子机理）
▲讲解过渡态结构优化、频率分析的输入文件结构
实现计算任务自动化与数据处理效率提升
在讲解两类算例的过程中，主讲人还特别介绍了如何初步实现计算任务和数据处理的自动化运行。具体内容包括如何编写脚本，自动批量生成并执行计算任务的输入文件，以及如何批量生成振动频率验证文件。这些方法有效提高了计算效率，减少了手动操作的错误和时间成本。
此外，主讲人还介绍了如何使用专业的文本编辑软件，批量提取和整合关键计算数据，进一步简化了数据处理过程。通过这些自动化手段，同学们在科研过程中能够更加高效地进行大规模计算任务的执行与数据分析，这为研究工作提供了极大的便利。
通过前三期的培训，同学们已经成功实现了量子化学计算的入门。接下来，根据同学们的需求，我们将优先展开分子动力学模拟的入门讲解，帮助大家更好地理解和应用这一重要的模拟工具。
在此基础上，我们将综合考虑时间安排与同学们的需求，进一步深入介绍量子化学计算和分子动力学模拟的更多内容，帮助大家更全面地掌握这两类模拟计算工具。我们诚邀同学们积极参与，期待与大家共同探讨和学习，推动科研技能的提升。
供稿 | 化工系研一班
审核 | 陈翔 欧宇 郑心怡
清华大学化学工程系
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