Gaussian软件及在材料领域中研究进展

任欣悦 李慧勤 尹利杰

（1.宝鸡文理学院化学化工学院 宝鸡 721013；2.信义玻璃（江门）有限公司 江门 529000）

0 引言

Gaussian程序软件具有计算精度高、适用范围广的特点，是目前应用较多的量子化学计算软件之一，该软件几乎包含了所有常用的量子化学计算方法。Gaussian程序的创立、改进和功能扩充具有重要的意义，为化学、物理、天文、生物化学和材料科学等领域研发提供了基本的技术支撑。

Gaussian软件是一个量子化学软件包，它的出现降低了量子化学计算的门槛，推动了其在方法学上的研究进展。理论化学家约翰·波普因编写了程序包Gaussian98而获得了当年的诺贝尔化学奖。

1 Gaussian软件

Gaussian 软件有Gaussian70版、92版、94版、98版、03版、09版等。最终由约翰·波普将计算化学理论方法工具化，开发了现今应用最广泛的量子化学计算程序包并将其进一步完善。与之配套常用的作图软件有：Chemoffice 2002、Gauss view和Hyperchem。

Gaussian98是由一定数量模块连结成的计算量子化学程序包，可用来进行各种半经验和从头分子轨道计算，可计算在气相和溶液中分子系统的各项性质，分子系统的基态和激发态等。

Gaussian程序的特点就是其强大的计算功能［1］：

（1）可进行单电子和双电子积分。积分可储存在内存，外接存储器上，或在用到时重新计算。

（2）进行原子轨道积分转换成分子轨道基的计算。

（3）进行能量的计算。可进行分子力学计算；哈密顿量的半经验方法计算；使用二级、三级、四级和五级Moller-Plesset微扰理论计算相关能；自动化的高度准确能量方法，包括完全活性空间SCF（CASSCF），以及广义价键结-完全配对（GVB-PP）SCF方法；计算激发态能量等。

（4）梯度和几何优化。优化计算的默认执行使用冗余内坐标。对能量和几何优化进行二或三层ONIOM计算；以及进行直接动力学轨迹计算等。

（5）进行频率和二级导数计算。计算力常数，极化率和偶极矩导数；决定振动跃迁的红外和拉曼光谱强度等。

（6）进行分子特性的计算。对分子内原子理论的成键分析和原子性质以及用传播算子方法计算电子亲和能和电离势等。

（7）溶剂模型。所有模型使用自洽反应场（SCRF）方法模拟在溶液中的分子系统。用解析方法计算能量和梯度，数值方法计算振动频率等。

进行Gaussian计算必需具备的条件是使用分子内坐标。在分子内坐标系中，分子中每个原子的相对位置是用与它成键的另一原子间的键长、该键与另一化学键间的键角以及后者与和它有一条公共边的另一键角所成的二面角来确定。

2 在材料研究中应用

Gaussian98程序被广泛应用于各个科学研究领域。Gaussian03和09版本分别进行了计算范围和计算能力的扩充。运用Gaussian程序分为以下步骤：①查阅资料，了解要研究的化合物的结构性能和能带性能；②在Gaussian中，根据该化合物结构选择合适的命令及相关参数；③在图像处理软件中建造该化合物的结构模型以获得参数信息；④运行程序和进行计算。

2.1 运用Gaussian进行优化计算

优化计算可以找到反应的最佳途径和优先技术路线，有利于指导试验的进行，从而缩短大量试验验证的频次和时间；对于研究者来说能够起到非常重要的导向作用。密度泛函理论是一种研究多电子体系电子结构的方法，在物理和化学上都有广泛的应用，特别是用来研究分子和凝聚态的性质，是计算化学领域和凝聚态物理计算材料学最常用的方法之一。

密度泛函理论在Gaussian03中进行了扩充，从而提高了反应效率。陈文凯等［2］采用电荷自洽方法和量子化学的密度泛函理论，对二氧化碳在六方ZnO非极化的（1010）面的可能吸附态进行了研究。崔彦斌等［3］采用Gaussian03程序中的密度泛函理论（DFT），对碳材料用碳源化合物乙苯的初期热裂解反应机理进行了研究，对反应物和产物的结构进行了能量梯度法全优化，计算了不同温度下（298～1573 K）的热力学参数。其研究结果表明：在298～1573 K下，热力学上，首先支持生成甲苯自由基和甲基自由基的反应为主反应路径；低温下，生成苯乙基自由基的反应比例大于生成苯基自由基的反应；而高温下，生成苯基自由基的反应比例大于苯乙基自由基的反应。将计算结果与实验结果作比较，发现乙苯热裂解过程的计算结果与部分实验结果吻合较好。计算结果表明，可以根据不同温度直接进行反应判断，缩短前期试验周期。李丽洁等［4］采用Gaussian98软件，对四乙酰基六氮杂异伍兹烷（TAIW）结构进行了优化和频率计算，从理论上对键长、键角、二面角、电荷进行了分析，由此判断，六元环上的仲胺活性较高，溶剂化效应对稳定存在的影响很大。对比了的振动频率、强度计算值与实验值，振动频率相对误差小于4%。陈思［5］对典型纺织纤维材料的红外和太赫兹光谱进行了研究，其中利用Gaussian03软件密度泛函理论对涤纶等在0～18 THz频域内的共振特性进行了分析，并对其振动频率进行了归属，探明了其在太赫兹波段的共振机理。综上所述，在大多数情况下，Gaussian计算结果与实践数据吻合，证明其结果可信度高。

2.2 Gaussian研究反应机理和定性计算

Gaussian在优化完的稳定结构上进行频率分析，通过对能级能量等的计算，可以用于研究反应的活性和反应机理。王惠等［6］采用Gaussian 98程序，通过对间二甲苯系列化合物设定的8种热裂解过程的反应能量、生成自由基的轨道能级、自由基的相对稳定性的量子化学理论计算，研究了间二甲苯系列化合物的热反应活性及热裂解机理。计算结果表明：①各反应物的主反应路径均是苯环上甲基C-H键首先断裂，该结论与实验结果一致；②各反应物之间的热反应活性由大到小顺序为：C8H9O H（dl）>C8H9S H（d2）>C8H10（a）>C8H9C N（d3）。自由基前线轨道能级差及生成自由基的相对稳定性和热力学等理论参数一样，亦适合于研究间二甲苯系列反应物的热解机理和热反应活性。

结构中如果是很大的分子，只有半经验方法才具有实际的计算意义。半经验方法可以应用于固体、纳米结构和有机化学的计算，极大地简化了计算工作量，可以计算一些更为复杂的电子结构，这种计算所得到的资料带有定性和半定量的特点。Gaussian中的半经验方法计算速度非常快且有效，半经验随原子数的增多运算时间会变长。J A Rodri-guez等［7］采用半经验的INDO/S和EHMO方法，考察了CO2在氧化锌表面上的吸附形式和电子授受情况。J B L Martins［8］采用半经验的AM1方法研究了CO2在（ZnO）22和（ZnO）60簇模型上的吸附，得到了3个不同的吸附形式。

3 Gaussian程序的发展

Gaussian系列程序正在被越来越广泛的应用，Gaussian系列程序本身也在不断的完善和发展中。Gaussian软件与教学相结合，对于促进学科发展也起到了很好的作用，刘杨先［10］通过羟基自由基与臭氧的基元反应等具体进行了解析，发现可以从微观层面洞悉化学反应的内在规律和本质问题，从而加深学生的理解，激发学生对深层次“微观化学知识”探求的积极性，教学效果良好。霍瑞萍等［11］将Gaussian软件用于中学化学的教学，将抽象的、深奥的内容变得直观生动，有效地激发学生的学习兴趣，提高教与学的效率。

Gaussian系列程序是功能强大的分子计算软件，也能进行原子计算。刘跃等［9］用Gaussian 98程序对钪原子和钛原子的价层激发态进行了研究，计算了钪原子和钛原子的价电子组态能量，计算结果与实验结果较好地吻合。

Gaussian程序通过不断发展新增了量子化学方法，将图形软件与Gaussian程序软件结合，能够简化研究人员对结果的分析，优化计算可以使模型更适合理论研究；图形软件对计算结果的输出。

4 结语

Gaussian软件的应用和发展，过程涵盖了化学、材料、生物医学和物理等多交叉学科领域，为实验研究带来了新思路。掌握Gaussian系列程序的计算并能够正确进行应用，可以大大提高材料进行合成的成品率、缩短试验周期，未来Gaussian系列程序可以在更深更广的领域内得到应用。