ORCA是一個免費的量子化學軟體，強烈建議你在此網站上註冊後下載可執行程式。有時，我也打不開這個網址。如果你是Windows用戶，我還建議你下載Avogadro，以更好的進行可視化。注意，請將這些軟體安裝到你可以找到的地方，否則在某個時刻，你會感無助。Linux用戶通常有較好的動手能力，此文可能對這類型用戶無用。

1.分子結構的優化(opt)和頻率計算(freq)

  1. 首先，你需要獲取某些分子的結構文件。我相信，你可以從pubchem上獲取到大多數東西。

    1.1 在這個例子中我們嘗試在真空下優化一個水分子的結構，你會發現pubchem提供了一個2D的水分子sdf文件，你猜猜為什麼沒有提供3d的sdf文件呢🤔。將下載好的Structure2D_COMPOUND_CID_962.sdf拖動進入Avogadro中，如果Avogadro出現彈窗，請選擇YES（對於2D的sdf文件而言）。此時，Avogadro已經顯示出一個水分子的形象，按照如下步驟點擊：

    File -> Save As -> .xyz

    事實上，你可以使用Avogadro來搭建你所需要的化合物結構，但在這裡我就不具體展開了。請保存.xyz文件到一個小孩子都能看到的地方，右鍵該文件，使用文本編輯器打開，你會看到如下內容：

    3
   
O          0.92794       -0.03832       -0.05541
H          0.64909       -0.56621       -0.81865
H          1.89583       -0.06474       -0.09360

    顯然，3代表的是系統中的原子總數。後邊，是笛卡爾坐標系下的三個原子座標。這是一個非常簡潔且直觀的表達方式。下面我提供了一個用於結構優化的模版文件：

    ! B3LYP D3 def2-SVP def2/J RIJCOSX noautostart miniprint nopop opt
%maxcore  3500
%pal nprocs  64 end
* xyz   0   1
   
*

    請讓我簡單介紹一下這些東西，B3LYP是我們使用的泛函的名稱，def2-SVP是我們在該計算過程中使用的基組，D3是我們用於修正對弱相互作用的描述，opt代表的是我們將要進行結構優化計算。%maxcore定義了我們在計算時1個核心所分配的最大內存是3.5GB，%pal nprocs 64 end定義了我們將要使用64個核心進行計算，因此你的電腦至少需要有64個核心以及3.5*64=224GB的內存，如果你電腦之中內存不足，可能會出現讓人煩惱之事。事實上，在完成opt計算後，可以自動進行頻率計算，你只需要同時寫上兩個關鍵詞即可：

    ! B3LYP D3 def2-SVP def2/J RIJCOSX noautostart miniprint nopop opt freq

    但是，在進行某些大體系的freq計算時，需要巨大的內存，這可能會導致錯誤。（即使你限定單個核心使用3.5GB，實際計算過程仍然可能會超過這一數值）。因此，在你沒有能力預估你的計算大約需要多少內存之前，建議你不要寫上freq關鍵詞，這可能會為你在某些雲計算中心省下一筆錢。* xyz 0 1中，xyz定義了我們的坐標系為笛卡爾坐標系，0代表的是系統的淨電荷數，1代表的是自旋多重度。顯然，水分子的淨電荷數為0。請在計算之前詳細考慮如何設置系統的淨電荷數和自旋多重度，這將極大的影響計算結果。我們將之前的.xyz文件中三個原子的笛卡爾座標複製到模板文件的兩個*號之間：

    ! B3LYP D3 def2-SVP def2/J RIJCOSX noautostart miniprint nopop opt
%maxcore  3500
%pal nprocs  64 end
* xyz   0   1
O          0.92794       -0.03832       -0.05541
H          0.64909       -0.56621       -0.81865
H          1.89583       -0.06474       -0.09360
*

    保存該文件為water.inp，顯然，我們要進行的是結構優化計算(opt)。將該文件上傳到計算中心後，選擇64核心256GB機型，使用該命令提交：

    /opt/orca504/orca_5_0_4_linux_x86-64_shared_openmpi411/orca water.inp > water.out --allow-run-as-root

    計算完成後，在water_trj.xyz文件中可觀察到優化過程中所有原子的笛卡爾座標變化，在water.xyz文件中有最後一次優化而保存下來的結構，這是我們需要的。將water.xyz文件的笛卡爾座標複製到模板中，將進行freq計算：

    ! B3LYP D3 def2-SVP def2/J RIJCOSX noautostart miniprint nopop freq
%maxcore  3500
%pal nprocs  64 end
* xyz   0   1
O   0.92614371640324     -0.03687197693869     -0.05331642575360
H   0.65515499887632     -0.56485658654145     -0.81669314383927
H   1.89156128472044     -0.06754143651986     -0.09765043040713
*

    注意，這裡面沒有opt，而是freq，將文件保存為water_freq.inp。使用以下命令提交作業：

    /opt/orca504/orca_5_0_4_linux_x86-64_shared_openmpi411/orca water_freq.inp > water_freq.out --allow-run-as-root

    計算完成後，將water_freq.out拖入Avogadro後，可以看見有三個頻率，分別是1638.17、3787.36、3881.42。詢問一下你6歲的弟弟妹妹，他們會告訴你一個難以被察覺的事實——這三個數都大於0。通常情況下，沒有負數頻率（虛頻）代表著，在我們之前所設置的條件下分子已經優化到最低的能量結構。如果有負數頻率（虛頻），那麼你可能需要微調該結構，重新進行opt和freq計算。