RASPA 的安装与使用

@tkaray CC-BY-NC 4.0

本文是基于 RASPA manual 的设置攻略 (v 2.0.45), 带有一些个人补充的注释内容. 部分内容没有特别合适的翻译则会使用英文原文. 限于能力所限本文的内容可能有部分纰漏, 请酌情参考. 所有补充的注释内容均使用以下方法标记:

Note: 建议使用 Linux 和 macOS 安装.

Part 1. 简介

RASPA是由 Randall Q. Snurr, Sofia Calero, David Dubbeldam, T.J.H. Vlugt 等研究者开发的经典模拟软件包, 可以用于模拟气体, 流体, 沸石, 硅铝酸盐, MOF, 碳纳米管等材料.

引用文献: (来自于 GitHub 的介绍页)

  • D. Dubbeldam, S. Calero, D.E. Ellis, and R.Q. Snurr, “RASPA: Molecular Simulation Software for Adsorption and Diffusion in Flexible Nanoporous Materials”, Mol. Sim., 42 (2), 81-101, 2016. link to article
  • D. Dubbeldam, A. Torres-Knoop, and K.S. Walton, “On the Inner Workings of Monte Carlo Codes”, Mol. Sim. (special issue on Monte Carlo) 39(14-15), 1253-1292, 2013. link to article
  • D. Dubbeldam and R.Q. Snurr, “Recent developments in the molecular modeling of diffusion in nanoporous materials”, Mol. Sim., 33 (4-5), 305-325, 2007. link to article
  • D. Dubbeldam, K.S. Walton, T.J.H. Vlugt, and S. Calero, “Design, Parameterization, and Implementation of Atomic Force Fields for Adsorption in Nanoporous Materials”, Adv. Theory Simulat., 2(11), 1900135, 2019. link to article

Part 2. 安装, 编译与运行

自行编译

RASPA 是由 C 语言写成的, 因此需要一个 gcc 或 icc 编译器.

Note: 建议使用 Linux / macOS 系统运行()

export RASPA_DIR=/path/to/environment/root
rm -rf autom4te.cache  
mkdir m4  
aclocal  
autoreconf -i  
automake --add-missing  
autoconf  
./configure --prefix=${RASPA_DIR}  
# or ./scripts/CompileScript/make-gcc-local  
make  
make install

Note: cd 到对应目录后直接运行即可. RASPA_DIR 为目标安装位置.

使用 conda-forge 源

也可以使用 Anaconda 的方式安装预编译版本.

conda install -c conda-forge raspa2=2.0.45
export RASPA_DIR=/path/to/environment/root
# e.g. export RASPA_DIR=/Users/leopold/Applications/miniconda3/envs/raspa-env

Note: Conda-forge 版本的软件本体在 /path/to/anaconda3/envs/envs-name/bin/simulate, 支持文件在 /path/to/anaconda3/envs/envs-name/share/raspa下. 因此, RASPA_DIR 环境变量设置位置应当位于虚拟环境目录处, 此时和自行编译的情况相同.

Note: (2022年3月5日记) 即使使用 conda-forge 源的预编译方法安装, 也应该下载 GitHub 版本, 因为其中有一些教学示例 demo 是预编译方法未提供的. 此外, GitHub 源目前仅含有部分 example forcefield & molecules, 但 conda-forge 源有更多示例用的力场和小分子文件. 因此, 建议两个都装, 然后合并到一处.

Note: (2022年3月6日记）发现 conda-forge 源更新后也没有那么多参考文件了，所以需要手动指定2.0.45版本获取这些文件. 手动指定版本的方法见上面的命令.

Note: 还需要注意的是, 所有的教学示例 demo 均指定了~目录下的文件夹, 如果不想每次运行示例都改提交文件, 请在家目录对对应位置使用 ln -s 建立软链接.

文档编译与下载

虽然 GitHub 中提供了 tex 编译的选项, 但是有已经编译好的版本在 iRASPA 的主页: Link

运行

Note: RASPA的运行需要多个文件. 其中, simulation.input 文件控制运行过程, 一个运行脚本负责设置环境变量和调用主程序 simulate. 具体可以参考 GitHub repo 中的 example/ 文件夹下的内容. 如果需要使用 mpi 则需要在提交脚本中使用 mpirun 调用. 暂不清楚安装过程中使用的 mpi 和运行时是否需要保持一致, 总之保持一致就好了. 有多个可以用 login shell 在提交脚本中引用想使用的 mpi.

使用 AiiDA 调用

Note: 通过安装 AiiDA 框架和交互组件 aiida-raspa 可以实现基于 Python 的控制. 具体方法可以查看 aiida-raspa 的 GitHub repo 的 demo.

工程文件的种类

  • simulation.input

    包含模拟类型, 模拟的步数, 骨架名字, 晶胞数目, 使用的小分子, Monte-Carlo 行动 (move) 类型等控制词条.

  • structure-name.cif

    如果使用了一个骨架 (如沸石和 MOF), 则需要提供一个 CIF 文件, 该文件名的前半部分需要在 simulation.input 中进行指定.

  • pseudo_atoms.def

    列举使用的赝原子的信息, 包括电荷和质量等. 一般情况下赝原子代表一个原子, 但也可能代表一个小基团 (比如 -CH3). 由于 CIF 文件会提供原子信息, 因此在 CIF 中列举的原子并不需要在赝原子列表中进行规定, 当读取 CIF 文件时原子信息将自动加入到该列表中. 如果在赝原子中也提供了原子信息, 那么该文件中的数据将被优先读取.

  • force_field_mixing_rules.def 和 force_field.def

    赝原子列表中每个原子所使用的力场参数. 这些参数包括 Van der Waals potential 类型和其他参数, 如是否使用尾部校正 (tail correction), 是否在 cutoff 之后将作用置零, 还有 mixing rule 的类型等.

    在文献中报道的力场参数主要包括两种类型, 第一种会提供每个原子的势能参数和 mixing rule 的列表, 第二种则会提供原子对和参数. 第一种对应 force_field_mixing_rules.def, 第二种则对应 force_field.def. 其中, force_field.def 的优先级高于 force_field_mixing_rules.def.

Part 3. 程序运行参考

前段中介绍了 RASPA 的安装过程, 这方面的中文文章有不少, 但是目前关于如何让 RASPA 正常运行的分享貌似还没有. 这一次来聊聊如何使用 RASPA 进行计算, 让软件可以针对自己的结构跑出结果. 由于作者水平有限, 以下部分必有错漏之处, 而且不保证获得的结果的准确性, 请在阅读后多多尝试, 同时参考原版手册和其他资料.

  1. GitHub Repo. Link: https://github.com/iRASPA/RASPA2
  2. RASPA Manual. Link: https://iraspa.org/raspa
  3. B 站的 RASPA Workshop 存档. BV1Hr4y1V7o7
  4. 2.0.45 版本的 RASPA 源代码. https://github.com/iRASPA/RASPA2/archive/refs/tags/v2.0.45.zip 单独拿出来是因为新版本删除了一些示例文件 (力场、分子等), 可参考的内容变少了. 把这一版本的代码下载下来, 参悟其中的设置吧. 此外, 还有几个 PPT 可以参考 (不太方便放), 需要的话可以私聊我.

使用 RASPA 的示例文件

个人建议是至少看一遍源代码中 Tutorial 的 AdsorptionN2InMIL-47 部分, 都跑一遍看看效果 (对应手册第八章). 其他的也可以跑跑看, 只需要运行 run 即可. run 文件的内容如下:

#! /bin/sh -f
export RASPA_DIR=${HOME}/RASPA/simulations/
export DYLD_LIBRARY_PATH=${RASPA_DIR}/lib
export LD_LIBRARY_PATH=${RASPA_DIR}/lib
$RASPA_DIR/bin/simulate $1

为了能够让程序直接转起来, 如果使用了 Anaconda 安装, 需要按照上一篇文章中的设置软链接. 同时, 该程序默认并未使用 MPI, 为了运行速度够快, 我们还需要开启多核并行.

RASPA 多核运行方法

建议使用 OpenMPI. 建议不要使用 apt / dnf 方法安装 (可能不方便切换), 而是选择源代码编译. 编译过程可以参考 Sobereva 老师的 ORCA 安装方法(http://sobereva.com/451) 中相关部分, 另外如果之后也用 ORCA 5+, 需要保证 OpenMPI 编译前 gfortran 已被安装 (否则这个 OpenMPI 只能给 RASPA 用). 在编译完成并设置好环境变量后, 可以把 run 文件中的代码改成

mpirun -np 物理核心数目 $RASPA_DIR/bin/simulate $1

如果已经把 RASPA 的环境变量都写进了 .bashrc, 也可以不借助 run 文件, 而是直接在 terminal 中全路径运行 simulate 进行模拟.

mpirun -np 物理核心数目 $RASPA_DIR/bin/simulate

如果成功把这些示例弄完了, 就进入下一环节: 尝试自己的吸附模拟.

RASPA 骨架与小分子结构设置

对于一个最小的可运行文件配置, 骨架结构文件, 小分子结构文件和力场参数文件三者必不可少. 在设置结构与力场过程中, simulation.input 和其他文件的匹配至关重要 (否则程序就会爆炸). 因此, 我们需要同时在 simulation.input 文件与 $RASPA_DIR/share/raspa 文件夹中保持一致. 该文件夹中共包含四部分, 分别代表:

  • forcefield 存储原子的 L-J 势, 每个文件夹名字代表其名称;
  • framework 存储骨架结构键, 键角, 二面角的伸缩扭转等参数 (非必须);
  • molecules 存储吸附的小分子结构信息, 每个文件夹名字代表其种类;
  • structure 根据骨架类型存储的骨架结构文件, 一般可以和 simulation.input 一起提供, 不用管这个文件夹.

本节先说骨架结构和小分子结构, 骨架结构对应 simulation.input 的 Framework 部分, 一般使用 CIF 文件, 如果使用其他类型的文件, 可能需要设置 InputFileType 词条. 参考示例中的写法, 在 simulation.input 中结构名称应当写在 FrameworkName 部分, 且去除后缀名.

有时候 CIF 文件的对称性无法被正确识别, 此时可以使用一些软件 (比如 MS) 将其转换为 P1 对称性再计算.

此外, 原子电荷可以使用 CP2K 计算 (参考 http://sobereva.com/587), 并将电荷添加到 _atom_site_charge 条目中. 此时需要将 UseChargesFromCIFFile 设置为 yes.

小分子结构需要提供许多参数, 如果下载了之前的代码, 也就有了最初可用的参数了. MOF 文章中很多都在用 TraPPE, 参考着相关文献做吧. 小分子对应 Component 部分, MoleculeName 写去除后缀的文件名, MoleculeDefinition 写文件夹名字. CreateNumberOfMolecules 为最初的分子数, 其他的看情况修改. 注意正式使用时这里也应该引文献.

RASPA 结构与小分子力场设置

RASPA 的 forcefield 是最头痛的地方, 一般报错都因为这里设置存在问题. 最基础的设置只需要修改 force_field_mixing_rules.def 文件中的内容, 根据文献设定力场参数. 注意 number of defined interactions 一定要与后面的条目数相同, 否则会少读取内容. 对于 MOF 材料来说一些高通量筛选文章的 SI 会提供其使用的参数, 同时 TraPPE 可以直接在其网站查到. 缝缝补补总是能把这些凑齐的.

如果报错内容为

‘force_field.def’ file not found and therefore not used

可以不用理. 如果提示原子无定义并退出, 则需要在 forcefield 中补充 molecules 和 CIF 中未定义的原子参数 (复现不出来这条错误的英文了). 力场信息对应 simulation.input 文件中的 Forcefield 条目, 需要将文件夹名与该条目匹配. 不同设置项对应的文件夹名称可能是相同的, 最初因为这一点折腾了很久也找不到为何报错.

其他内容

ExternalTemperature 和 ExternalPressure 可输入的并不是单一的值而是数组, 因此可以一次性在一个文件中提交许多个压力, 这样可以一次性算很多点.

Forcefield 的 CutOff 和普通的分子动力学模拟类似, 不能大于整个三维结构中最短边的一半, 如果体系较小, 就需要设置超胞.

还有一些不太好归类的内容, 如果后续想到更多会在这部分补充. 复杂一些的报错我也见得较少, 可能需要查 manual 或到官方论坛咨询. 只要有大量可参考的输入文件和已报道文献, 总能把想要做的模拟跑出来的. 加油吧~

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