USPEX:计算晶体结构预测程序

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USPEX 简介

USPEX(Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography, “uspekh” 在俄语意为“成功”,这象征着这种预测方法的高成功率和取得的丰硕的研究成果)是Oganov实验室从2004年以来开发的一种方法和程序。晶体结构预测问题非常古老,而且一直是理论晶体化学的重要核心问题。John Maddox 在 1988 年写道:

One of the continuing scandals in the physical sciences is that it remains in general impossible to predict the structure of even the simplest crystalline solids from a knowledge of their chemical composition solids such as crystalline water (ice) are still thought to lie beyond mortals’ ken.

UPSEX方法/代码解决了这个问题,因此在全世界有超过4000研究人员采用。在第一次无机晶体结构预测盲测(The First Blind Test of Inorganic Crystal Structure Prediction)中,USPEX的效率和可靠性都 shows that USPEX 超过了其他方法。USPEX方法本身一直在持续开发。除了晶体结构预测之外,USPEX还可以在其他维度的结构中有所作为,比如纳米粒子,聚合物,表面,界面和二维晶体。USPEX可以高效的处理分子晶体(包括柔性分子和非常复杂的分子)。USPEX可以仅凭化学元素预测最稳定的化学组分和对应的晶体结构。除了这种完全不需要经验参数的搜索外,USPEX还可以预测一系列亚稳结构,基于一些已知的信息进行各种模拟。

USPEX也可以用来寻找纳米粒子、表面重构、有机分子晶体(分子堆垛)的能量最稳定项和能量较低的亚稳相,USPEX还可以搜索具有想要的物理性质(力学性质、电子性质等)的材料结构。USPEX程序不仅包含基于A.R. Oganov研究组开发的高效进化算法,还包含其他一些算法(随机采样、赝动力学、校正的粒子群优化算法等)。USPEX开发了与许多第一原理或分子力场的计算程序的接口,例如 VASP、SIESTA、GULP、Quantum Espresso、CP2K、CASTEP、LAMMPS等。

USPEX的功能列表

  1. 仅需知道化学组成,预测稳定结构和亚稳结构。可以同时搜索最稳定组分和结构。
  2. 可以在搜索时使用部分结构信息,即对搜索进行结构限制:
    1. 利用实验得到的晶格常数、形状或者体积对结构进行限制;
    2. 从已有结构搜索其他假想的结构;
    3. 从已知的分子结构(含柔性分子)组合成晶体结构。
  3. 高效的结构限制技术,可以避免搜索没有物理意义或重复的搜索空间。晶胞缩减技术。(Oganov&Glass,2008)。
  4. 采用指纹函数对结构进行标记和识别(Oganov&Valle,2009;Lyakhov,Oganov,Valle,2010)。
  5. 采用完全随机化的方法对结构进行初始化,或采用空间群限制、晶胞分割技术(Lyakhov,Oganov,Valle,2010)。
  6. 在搜索过程中分析结果:确定空间群(以CIF格式输出结构);计算硬度、序参量等。
  7. 预测纳米粒子结构和表面重构。
  8. 重启计算的功能可以让用户从结构演化轨迹的任意点重新开始计算。
  9. 在STM4中实现的功能强大的可视化和分析技术(M. Valle),与USPEX完全集成。
  10. USPEX提供与VASP、SIESTA、GULP、DMACRYS、CP2k、QuantumEspresso、LAMMPS、ATK、MOPAC、FHI-aims、Gaussian等程序的接口。开发与其他程序的接口非常容易。
  11. 可以将作业提交到本地服务器或者远程集群超算服务器。
  12. 可以选择使用USPEX算法(默认)、随机采样(random sampling)、校正的粒子群优化(corrected Particle Swarming Optimization(PSO))方法、进化算法赝动力学、最低能量跳跃(minima hopping)进行结构预测。也可以使用进化算法赝动力学、变晶胞NEB方法、TPS方法进行相变机理预测。
  13. 可以优化能量以外的物理性质,例如硬度(Lyakhnov&Oganov 2011)、密度(Zhu et al,2011),带隙、介电常数(Zeng et al, 2014)等其他很多性质。
  14. 其他更多功能持续开发中…

USPEX方法的参考文献

  1. Oganov A.R., Glass C.W. (2006). Crystal structure prediction using evolutionary algorithms: principles and applications. J. Chem. Phys. 124, art. 244704 (pdf-file)
  2. Glass C.W., Oganov A.R., Hansen N. (2006). USPEX – evolutionary crystal structure prediction.Comp. Phys. Comm. 175, 713-720 (pdf-file)
  3. Oganov A.R., Ma Y., Lyakhov A.O., Valle M., Gatti C. (2010). Evolutionary crystal structure prediction as a method for the discovery of minerals and materials.Rev. Mineral. Geochem. 71, 271-298 (pdf-file)
  4. Lyakhov A.O., Oganov A.R., Valle M. (2010). How to predict very large and complex crystal structures. Comp. Phys. Comm. 181, 1623-1632 (pdf-file)
  5. Oganov A.R., Lyakhov A.O., Valle M. (2011). How evolutionary crystal structure prediction works – and why. Acc. Chem. Res. 44, 227-237 (pdf-file)
  6. Lyakhov A.O., Oganov A.R., Stokes H.T., Zhu Q. (2013). New developments in evolutionary structure prediction algorithm USPEX. Comp. Phys. Comm. 184, 1172-1182 (pdf-file)

与其他方法的对比

我们的方法与其他计算材料设计的方法进行过多次对比。下表显示的是USPEX(其中的进化算法)、CALYPSO(PSO方法)和minima hopping方法的对不同大小的Lennard-Jones团簇的对比结果(Lyakhov 2013)。

成功率 (%) 找到全局能量最小结构需要搜索的结构平均个数 计算的次数
LJ38 (PSO) 100 605 100
LJ38 (USPEX) 100 35 183
LJ38 (MH) 100 1190 100
LJ38 (PSO) 100 1649 20
LJ55 (PSO) 100 159 100
LJ55 (USPEX) 100 11 60
LJ55 (MH) 100 190 100
LJ75 (PSO) 98 2858 50
LJ75 (USPEX) 100 2145 53

下表显示的是USPEX程序(其中的进化算法)与CALYPSO(PSO方法)对晶胞含有48个原子的TiO2结构的预测计算性能(使用相同的力场),数据来自Lyakhov 2013 和 Lv 2012。

方法 成功率 (%) 所需弛豫的次数
USPEX, cell spliting 100 41
USPEX, no symmetry 100 80
USPEX, with symmetry 100 77
CALYPSO, with symmetry 100 156-400
CALYPSO, no symmetry 90 500

USPEX可预测体系的大小

由于方法本身的成功率非常高,我们目前没有在实际使用中看到太多的局限性。方法对于每晶胞100-200原子的体系仍然十分高效,大体系的主要问题是第一原理计算量随着体系原子数增多大大增加,同时可能的能量稳定点数也快速增加。我们的方法看来可以很好的抵消这种效应,因此在不久的将来预测几百原子体系的结构应该是可行的。

USPEX的特点

USPEX程序经过十几年的发展,已经变得非常智能、易用:

  • 计算设置方便。用户只需提供少量设置即可完成晶体结构搜索的全部工作;
  • 格式化输出。USPEX 使用列表和图标格式化输出有关结构的全部信息,便于用户分析;
  • 作业提交智能化。高效率完成第一原理的结构局域优化,已经适配多种作业队列系统和超算系统。
  • 结果分析与可视化。USPEX输出的结果可以用其他程序查看,例如VESTA。除了文本格式的数据列表之外,USPEX在计算结果中还可以产生一些pdf格式的图表,方便用户直接查看结果。此外,我们强烈建议使用STM4程序(开发者:Mario Valle)进行结构可视化和深入研究,STM4与USPEX程序完全兼容。

成为USPEX用户

使用USPEX需遵循以下几条基本规则:

  1. 程序是提供给研究者个人使用的(授权人是个人而不是研究组或研究机构),用户需对使用程序的行为负责,并不得对外发布程序。
  2. 在发表使用USPEX研究的结果(研究论文、会议论文)时,需正确、明确的引用USPEX方法的原始文献:
    • Oganov A.R., Glass C.W. (2006). Crystal structure prediction using ab initio evolutionary techniques: principles and applications. J. Chem. Phys. 124, art. 244704.
    • Oganov A.R., Lyakhov A.O., Valle M. (2011). How evolutionary crystal structure prediction works – and why. Acc. Chem. Res. 44, 227-237
    • Lyakhov A.O., Oganov A.R., Stokes H.T., Zhu Q. (2013). New developments in evolutionary structure prediction algorithm USPEX. Comp. Phys. Comm. 184, 1172-1182.
  3. 用户下载使用USPEX,必须同意不参与开发任何其他的功能类似的与USPEX有竞争关系的程序。我们欢迎USPEX用户参与到USPEX开发中来,并成为USPEX程序的共同作者。 用户可以将在USPEX基础上计划实现的新功能发送给A.R. Oganov 教授,以便在通用版本中包含这些新功能,供整个用户社群使用。

USPEX 当前版本为 9.4.4。要下载最新版本软件和资料,请 注册或登录。有任何问题请与管理员联系。

手册、教程和相关资料

我们建议新用户仔细阅读使用手册并研究实例教程。有关问题可以与我们联系。

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使用USPEX发表的亮点文章

新的H3S高压相和超导转变温度的新纪录

USPEX用户预测了一种新的常压下很难存在的硫化氢(H3S),该化合物的200GPa的Im-3m相的超导转变温度Tc预测为191~204K,这是超导温度的新纪录。化合物可以在高压下通过如下途径合成:3H2S→2H3S+S S+3/2H2→H3S。实验得到的Tc为203K,同步辐射XRD实验给出的结构也验证了理论的预测。

  • Defang Duan, Yunxian Liu, Fubo Tian, Da Li, Xiaoli Huang, Zhonglong Zhao, Hongyu Yu, Bingbing Liu, Wenjing Tian & Tian Cui (2014). Pressure-induced metallization of dense (H2S)2H2 with high-Tc superconductivity. Scientific Reports 4, 6968 (link).
  • Defang Duan, Xiaoli Huang, Fubo Tian, Da Li, Hongyu Yu, Yunxian Liu, Yanbin Ma, Bingbing Liu, and Tian Cui (2015). Pressure-induced decomposition of solid hydrogen sulfide. Phys. Rev. B 91(18), 180502 (link).

五唑钠盐:富氮高含能材料

南佛罗里达大学的研究人员使用USPEX发现了一种全新的高含能材料:五唑钠(Sodium pentazolate)。五唑阴离子在钠离子存在的超过20GPa的高压相里可以稳定存在,当压力释放时则变得不稳定。

  • B.A. Steele and I.I. Oleynik (2016). Sodium pentazolate: A nitrogen rich high energy density material. Chemical Physics Letters 643, 21-26. (link).

计算方法研究能量转换催化剂的结构

普林斯顿的Annabella Selloni研究组使用USPEX研究了铁掺杂的氧化镍的活性成分的结构,一种高活性的水氧化催化剂。使用USPEX结构搜索和DFT计算,Li和Selloni确定了氧化镍的结构,可以解释在反应中观察到的马赛克样构造。有了对结构更好的理解之后,研究人员希望能将其与反应活性对应。

  • Ye-Fei Li and Annabella Selloni (2014). Mosaic Texture and Double c-Axis Periodicity of β-NiOOH: Insights from First-Principles and Genetic Algorithm Calculations. The Journal of Physical Chemistry Letters 5(22), 3981–3985. (link).

预测Al和Sc或Ta的全新结构

UPSEX用来研究了Al和Sc或Ta的二元合金结构。正确得到了多种Al-Sc金属间化合物(Al3Sc,Al2Sc,AlSc,AlSc2,AlSc3)以及Al3Ta的组分、结构和能量。此外,还预测了全新的Al3Sc2和AlTa7,这两个未知相也是稳定的。

  • Bilić, A., Gale, J. D., Gibson, M. A., Wilson, N., & McGregor, K. (2015). Prediction of novel alloy phases of Al with Sc or Ta. Scientific Reports, 5, 9909 (link).

 


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