示例 05：几何优化（Gaussian 16）¶
配套教程：第5章 几何优化
目的¶
用小分子和一个表面簇模型练习 Gaussian 16 几何优化的常见写法：
Opt Freq联合作业，读懂收敛表；Opt=(CalcFC,MaxCycles=N)和Opt=ReadFC（读入低水平频率的 Hessian）；- 坐标前加冻结码
-1冻结原子； Opt=ModRedundant冻结键长（B i j F）和二面角（D i j k l F）；- 用
Opt=Restart或Geom=Check Guess=Read续算。
文件说明¶
| 文件 | 体系 | 演示内容 | 依赖 |
|---|---|---|---|
acetaldehyde_opt_freq.gjf |
乙醛 | 标准 Opt Freq |
— |
opt_maxcycles_calcfc.gjf |
甘氨酸 | Opt=(CalcFC,MaxCycles=200) Freq |
— |
opt_readfc_from_lowlevel.gjf |
甘氨酸 | 第 1 步 def2-SVP Opt Freq，第 2 步 def2-TZVP Opt=ReadFC |
— |
opt_frozen_atoms_surface_cluster.gjf |
Cu10(111) 两层簇 + 顶位 CO | Cu 冻结码 -1，只优化 CO；NoSymm |
— |
opt_modredundant_freeze_bond.gjf |
水二聚体 | B 1 4 F：O···O 距离固定在 3.10 Å |
— |
opt_modredundant_freeze_dihedral.gjf |
正丁烷（gauche） | D 1 2 3 4 F：C–C–C–C 二面角固定在 65° |
— |
opt_restart_from_chk.gjf |
甘氨酸 | Opt=(Restart,MaxCycles=300)，只有 Link0 和 route |
需要 opt_maxcycles_calcfc.chk |
opt_continue_geom_check.gjf |
甘氨酸 | %oldchk + Geom=Check Guess=Read 从最后一步继续 |
需要 opt_maxcycles_calcfc.chk |
run_g16.sh |
— | 最简 Slurm 作业脚本（8 核、16 GB） | — |
起始结构说明：乙醛、甘氨酸、丁烷由 RDKit（ETKDG + MMFF）生成，丁烷的二面角随后设为 65°；水二聚体和 Cu10 簇按典型几何参数手工搭建（Cu–Cu 最近邻 2.556 Å，对应 fcc Cu 晶格常数 3.615 Å；Cu–C 1.85 Å，C–O 1.15 Å）。
运行步骤¶
cd Gaussian/examples/05-opt
# independent jobs
for f in acetaldehyde_opt_freq opt_maxcycles_calcfc opt_readfc_from_lowlevel \
opt_modredundant_freeze_bond opt_modredundant_freeze_dihedral \
opt_frozen_atoms_surface_cluster; do
g16 < $f.gjf > $f.log
done
# restart demos: they read opt_maxcycles_calcfc.chk
cp opt_maxcycles_calcfc.chk opt_maxcycles_calcfc.chk.bak # Opt=Restart writes into this chk
g16 < opt_continue_geom_check.gjf > opt_continue_geom_check.log
g16 < opt_restart_from_chk.gjf > opt_restart_from_chk.log
Slurm：sbatch run_g16.sh acetaldehyde_opt_freq.gjf（先按本集群修改脚本中加载 Gaussian 的两行）。
怎样真正练习续算： Opt=Restart 是为中断或失败的优化设计的，对已经正常收敛的 opt_maxcycles_calcfc 做续算没有实际意义。想看到续算的效果，先把 opt_maxcycles_calcfc.gjf 中的 MaxCycles=200 临时改成 MaxCycles=4 运行，让它以 L9999 失败，再运行两个续算输入。
预期结果 / 如何检查¶
# Opt Freq jobs print "Normal termination" twice
grep -c "Normal termination" *.log
# convergence: last table of each job, and the final status line
for f in *.log; do
echo "== $f"
grep -E "^ (Maximum|RMS) +(Force|Displacement)" "$f" | tail -n 4
grep -E "Stationary point found|negligible forces|Number of steps exceeded" "$f" | tail -n 1
done
# imaginary frequencies (should be none for the minima)
grep "imaginary frequencies" *.log
# frozen coordinates keep their input values
grep -A 30 "Optimized Parameters" opt_modredundant_freeze_bond.log | grep "R(1,4)"
grep -A 60 "Optimized Parameters" opt_modredundant_freeze_dihedral.log | grep "D(1,2,3,4)"
# ReadFC really read the Hessian in step 2
grep "D2E/DX2" opt_readfc_from_lowlevel.log | head
判断标准：
| 作业 | 应该看到 |
|---|---|
| 乙醛、甘氨酸 | Stationary point found；Freq 步最后一张收敛表全部为 YES；没有 imaginary frequencies 行 |
opt_readfc_from_lowlevel |
第 2 步 Initial Parameters 表的 Derivative Info 列不再是 estimate D2E/DX2；第 2 步的步数明显少于第 1 步 |
| 水二聚体 | R(1,4) 最终仍为 3.10 Å，-DE/DX 不为零（约束上存在残余力，属正常）；其余坐标已弛豫 |
| 丁烷 | D(1,2,3,4) 最终仍为 65°；C–C 键长、C–H 键长已弛豫 |
| Cu10 + CO | 所有 Cu 坐标不变，只有 C、O 移动；CO 在顶位上，Cu–C 与 C–O 距离被优化 |
| 续算 | opt_continue_geom_check 从上一作业的最后结构开始，第 1 步 SCF 能量与上一作业最后一步接近 |
如果甘氨酸优化后出现虚频，说明起始构象不是极小点附近的构象，按教程第 10 节处理（沿虚频位移后重新优化，或先做构象搜索）。
注意事项¶
- 受限优化（冻结键长、二面角或原子）得到的不是驻点，不要对其做热化学分析。
Opt=Restart会继续写入原来的 chk，请先备份；如果原优化是因为结构跑偏而失败，应改用Geom=Check Guess=Read，或从 log 中取能量最低的结构重新开始（log2xyz.py，python ../../scripts/log2xyz.py -h）。- ModRedundant 中的原子编号就是输入中原子的顺序。在 GaussView 中重新排序原子后，要同步修改约束编号。
- 监控优化过程可以用 GaussView（
Results → Optimization）或 opt_monitor.py（python ../../scripts/opt_monitor.py -h）。 - Cu10 簇模型只用于演示冻结原子的写法。研究表面吸附时，簇的大小、自旋态和泛函都需要单独验证，周期性模型见本仓库的 VASP/CP2K 部分。