我意识到我错过了一个巨大的计算科学领域——化学。有很多软件包可以在您的桌面上进行化学计算。本文着眼于一个名为 Avogadro 的通用工具。它可以进行能量和梯度值的计算。此外，它可以分析分子系统，连接 GAMESS，并导入和导出多种文件格式。还有很多选项可以生成您希望彻底革新化学工业的全新分子的漂亮图片。

当您首次启动 Avogadro 时，它会打开一个新项目，其中包含一个用于查看分子的选项卡。在这个窗口中，您可以通过几种不同的方式创建分子。如果您愿意，您可以逐步构建分子，一次一个原子。您可以单击顶部的铅笔或按 F8 选择绘图工具。使用此工具，您可以单击并拖动以绘制原子和键。要选择不同的元素或不同的键类型，请单击“工具设置”按钮以获取包含这些选项的第二个面板。要绘制，请单击鼠标左键。要擦除，请单击鼠标右键。

图 1. 当您打开 Avogadro 时，您会在新项目中获得一个空白的查看窗口。

您还可以选择从分子片段构建分子。在“构建”菜单项下，选择“插入”→“片段”。这将弹出一个窗口，您可以在其中从分子片段中进行选择，例如羧酸、酮、烷烃或氨基酸。您甚至只需单击一下即可构建巴克敏斯特富勒烯。

图 2. 您可以从大量的化学片段列表中进行选择，以便构建您的分子。

当您构建分子时，它会出现在查看窗口中。您还可以通过输入 SMILES 文本字符串来插入片段。SMILES 是简化分子线性输入规范。有关其格式的更多详细信息，请查看维基百科条目。

图 3. 这是水分子的外观。

在菜单项“构建”→“插入”→“肽”下，还有一个肽构建器。此对话窗口允许您通过选择氨基酸、末端片段和肽的结构来构建肽。可用的结构包括直链、α 螺旋和 β 折叠。

您可以通过调整氢键对分子进行全局调整。您可以全局替换，将氢原子更改为甲基。您还可以根据分子的 pH 值更改氢原子的数量。

您可以将此分子保存为多种不同的格式，包括 CML、GAMESS 输入、Gaussian 输入、MDL SDfile、PDB、NWChem 输入、Sybyl Mol2 和 XYZ。

构建完分子后，您可能想要做的第一件事是了解它的实际外观。作为第一步近似，您可以使用“优化几何结构”功能，该功能位于“扩展”菜单项下。这实际上会遍历您的分子并调整键长和键角，以优化分子的物理几何结构。您可以选择使用哪个力场进行此计算。在菜单项“扩展”→“分子力学”→“设置力场”下，会弹出一个新窗口，让您选择要使用的力场，以及要采取的步数、要使用的算法（最速下降法或共轭梯度法）和收敛阈值。根据分子的复杂程度，某些设置可能比其他设置效果更好。例如，MMFF94(s) 场适用于有机化学和类药物分子。如果您尝试优化几何结构并获得看起来很奇怪的结果，则检查这些选项应该是您的第一步。您可以通过单击窗口底部的“消息”选项卡来查看计算进度。

优化几何结构后，您可以通过选择“扩展”→“分子动力学”→“计算能量”来计算分子的能量。

在实际的量子级计算方面，您可以直接在 Avogadro 中执行的操作数量有限。但是，这没关系，因为已经有很多非常好的程序可以很好地完成这项工作。您可以使用 Avogadro 输出文件，这些文件可以被其他程序用作输入文件，以进行此类更高级别的计算。在“扩展”菜单项下，您会找到用于为 GAMESS、Gaussian、MOLPRO、MOPAC、NWChem 和 Q-Chem 构建输入文件的条目。这些条目中的每一个都会弹出一个新的对话窗口，您可以在其中为要创建的输入文件选择额外的选项。这包括要使用的处理器数量、要执行的计算类型或要使用的理论等内容。预览窗口会显示此导出文件的外观，因此您可以确保获得您期望的内容。满意后，单击窗口底部的“生成”按钮，为感兴趣的外部程序生成输入文件。

完成这些计算后，您可以将它们导入回 Avogadro 以进行一些分析。您可以导入轨迹文件或振动文件。导入数据后，可以使用一些函数来绘制此数据，以便提取信息并查看发生了什么。对于包含分子振动信息的文件，您甚至可以将结果绘制成电影。您可以设置帧速率等选项，满意后，可以将其保存为 AVI 文件。

您还可以从实验中导入数据。在研究化学物质时，一个常见的实验是查看感兴趣的化学物质的光谱。首先，单击菜单项“扩展”→“光谱”。这将弹出一个新窗口，用于进行分析。在屏幕底部，您可以单击“加载数据”。这允许您导入两种格式的数据：PWscf IR 数据或 Turbomole IR 数据。您可以选择如何显示此数据，包括生成出版物质量的图形。

图 4. 在这里，我准备上传来自实际实验测量的光谱数据。

希望这个简短的介绍能为您提供一些入门的想法。还有许多其他化学程序可以查看，它们提供更多的功能和计算。现在您已准备好开始进行一些量子化学计算了。