使用Multiwfn绘制NBO及相关轨道(2) - 图文

使用Multiwfn绘制NBO及相关轨道

文/Sobereva

First release: 2012-Apr-4 Last update: 2013-Feb-19

1 前言

NBO程序输出的轨道包括NBO（自然键轨道）、NHO（自然杂化轨道）、NAO（自然原子轨道）、NLMO（自然定域化分子轨道），以及前头带P的类型，如PNBO（初自然键轨道）。NBO程序输出的plot文件包含了这些轨道的一切信息。 可视化这些轨道有很多方法：

(1)对于Gaussian用户，可以用pop=saveNBO或pop=saveNLMO将NBO和NLMO轨道写入chk文件中，再用Gaussview观看。但是对于其它类型轨道就没辙了。 (2)用ChemCraft。这个软件是收费的，而且我曾发现在基组含有高角动量函数时这个程序给出的图形是明显错误的。

(3)用NBOView。这个程序也是收费的，而且界面设计非常落伍，操作不便。 (4)用Zork编写的NBO2molden程序将NBO plot文件转换为Molden的输入文件，然后用Molden程序去看。然而Molden这个程序我认为很不好用。

Multiwfn是一款免费、开源的波函数分析程序，很早就开始支持读入NBO plot文件来绘制前述各种类型轨道，可以很方便地显示等值面图，也能绘制出各种各样漂亮的截面图，操作很方便，可以从http://multiwfn.codeplex.com下载。从2.3.3版开始还可以同时绘制两条轨道，对于分析轨道间重叠很有用。另外，在轨道生成速度上Multiwfn比任何其它可视化程序都要快。在绘制与NBO相关的轨道方面Multiwfn是最佳选择。本文将介绍如何用Multiwfn绘制NBO轨道，其过程也同样适用于绘制分子轨道、自然轨道等。

2 输入文件

这一节介绍一下怎样产生能够让Multiwfn显示NBO及相关轨道的输入文件。Gaussian的fch文件和NBO plot文件都可以用作Multiwfn的输入文件。

2.1 使用fch文件

对于Gaussian用户，可以在route section里写上pop=saveNBO或pop=saveNLMO，这样NBO轨道和NLMO就会分别代替分子轨道储存在chk文件里。然后用formchk程序将chk文件转化为fch文件，就可以读入Multiwfn来看NBO和NLMO了。注意fch文件中的轨道编号和Gaussian的NBO 3.1模块(L607)显示

的轨道编号通常不一致。比如在NBO输出信息最后显示

Reordering of NBOs for storage: 7 8 3 1 2 4 6 5 9 38 ...

那么就是说明chk/fch文件里的1号轨道对应于NBO7，2号轨道对应NBO8，3号轨道对应NBO3，4号轨道对应NBO1...无论你用gview看这个chk文件，还是用Multiwfn看相应的fch文件，当你选比如第2号轨道，显示的都是NBO8。

注意如果你打算用.fch文件来让Multiwfn绘制平面图或生成格点数据，那么若你用的是HF或DFT来做的计算，应当用文本编辑器打开.fch文件，在第一行开头写上saveNBOene；如果用的是后HF计算并且写了density关键词，那么第一行开头应该写上saveNBOocc。否则在使用.fch文件绘制平面图或生成轨道波函数格点数据之前，一部分编号靠后的轨道会被自动删掉而无法选择。不过，如果你只是想按照下一节那样通过主功能0来直接观看各个NBO或NLMO轨道，则没必要修改fch文件。

2.2 使用NBO plot文件

如果想看NBO和NLMO以外的轨道，就只能用NBO plot文件了。做法是在Gaussian输入文件中加上pop=nboread关键词，在末尾空一行写上比如

$NBO plot file=c:\\ltwd\\NH2COH $END，用Gaussian运行后就会有一批NBO plot文件NH2COH.31、NH2COH.32 ... NH2COH.41在c:\\ltwd下面生成。.31文件储存的是基函数信息，.32~.40分别储存的是

PNAO/NAO/PNHO/NHO/PNBO/NBO/PNLMO/NLMO/MO的展开系数信息。.41是密度矩阵信息，对绘制轨道没直接用处。

如果用的是独立版本的NBO程序，即GENNBO，比如想在h:\\Yuri目录下生成NBO plot文件的话就将GENNBO输入文件(.47)开头的$NBO和$END中间写上plot file=h:\\Yuri\\NH2COH然后用GENNBO运行即可。

本文的例子都是B3LYP/6-31G**下的甲酰胺，Gaussian输入文件如下 %chk=C:\\gtest\\NH2COH.chk

# B3LYP/6-31G** opt pop=nboread

B3LYP/6-31G** opt 0 1

C -0.03549095 -0.45781414 0.00000000 H -0.01702195 -1.52765473 0.00000000 O -1.28606421 0.23570336 0.00000000 N 1.07346837 0.20822655 0.00000000 H 1.05620762 1.20807757 0.00000000 H 1.94799512 -0.27675072 0.00000000

$NBO plot file=c:\\NH2COH $END

与.fch文件不同的是，NBO plot文件内的轨道编号和实际的NBO（或NLMO、NAO等轨道）的编号是完全一致的。所以选择轨道的时候不必像使用.fch文件那样还得麻烦地去查编号转换表。

3 绘制轨道等值面图

启动Multiwfn，然后输入.fch文件或.31文件的路径。如果用的是后者，程序会让你再输入.32~.40文件中的一个，输入哪个取决于要绘制哪种轨道，比如要看PNHO，就要输入.34文件的路径，若要看NBO，就要输入.37的路径。假设你先输入的是c:\\Rio_rainbow_gate\\RioXLina\\NH2COH.31，而.37文件就在这个.31文件所在路径下，那么直接输入数字37就可以了，可以免得输入完整的路径。

接下来输入0就会在文本窗口中输出所有原子的坐标，并弹出用于观看分子结构和轨道等值面的窗口，如下所示，图中显示的是12号NBO。

此界面的各个物件的用途稍微玩弄一下就明白了，在手册3.2节也有详细说明。右下角是轨道列表，点击其中一个就会马上在图形窗口中显示相应的等值面，十分方便省事，等值面生成速度也比起Gaussview等程序快得多。注意，如果使用.fch作为输入文件，如前所述其中轨道序号已经被重排，所以选择轨道列表中的第X号所显示的未必是NBO输出信息中的第X号轨道的等值面。

从NBO模块的二阶微扰能的分析结果看，NBO 12（N的孤对电子轨道）和NBO 56（C-O的反π键）之间有很强的相互作用，这能够使体系能量下降62.8kcal/mol。像这种情况，同时绘制两条轨道的图形来分析它们的相位交叠是很有意义的。为了做这样的图，我们先从轨道列表中选12，然后选中Show+Sel. isosur#2复选

框（全称是Show and select isosurface #2），再从列表中选56，这两条轨道就都显示出来了，如下所示

没有选中Show+Sel. isosur#2复选框时选择的轨道所产生的等值面被称为Isosurface #1，选中了此复选框再选的轨道所产生的等值面被称为Isosurface#2。只有已经出现了Isosurface #1时这个复选框才允许选。如果取消选择此复选框，则已出现的Isosurface #2将会消失，若再次选中此复选框，之前消失的那个Isosurface #2又会重新出现。

Isosurface #1的正值和负值部分的等值面用绿色和蓝色表示。为了区分，Isosurface #2的正值和负值部分等值面分别用黄绿色和紫色表示。等值面的风格可以通过界面上方Isosur#1 style和Isosur#2 style中的相应选项设定，可选的风格有：不透明面、网、点、不透明面+网这四种，在下个版本中还会加入透明面的风格。不透明面的颜色以及网/点的颜色也都可以通过Isosur#1 style和Isosur#2 style中的相应选项进行设定，程序会让你输入R,G,B（红、绿、蓝）分量的值，每个分量值的范围应在0.0~1.0以内，例如0,1,0就代表绿色、1,1,0就代表黄色。R,G,B值需要输入两次，第一次是设定等值面正值部分的颜色，第二次是设定负值部分的颜色，文本框内直接出现的数值是当前R,G,B值。风格和颜色在设定后会立刻在屏幕上生效。

上面图中的NBO 12和NBO 56的等值面都是不透明的，分析重叠程度比较困难，将两个等值面都设为网状风格后如下所示，交叠区域看起来清晰了。它们之间存在很明显的交叠，是它们之间二阶微扰能很大的主要原因之一。

实际上，在显示轨道等值面之前，程序会先计算出一个涵盖整个分子空间范围的轨道波函数的格点数据，这个格点数据的格点密度越大，即相同空间范围内的点数越多，则等值面越精细。为了生成等值面速度比较快，默认的点数并不多。尤其当体系较大时，由于格点密度往往较稀疏，等值面会显得不够光滑，可以通过增加格点数来提高等值面显示效果。方法是选择窗口上方的Isosur. quality，点击其中的按钮后可以输入所期望的格点数。重新设定格点数之后，目前显示的等值面都会自动消除，之后再选择轨道所生成的等值面都会套用刚才输入的设定。

4 生成轨道波函数格点文件并用VMD绘图

虽然直接用Multiwfn来产生NBO及相关轨道等值面图一般够用了，但是为了追求更好的显示效果且不嫌麻烦，可以借助于更专业的能够显示格点数据的程序，这里推荐VMD，可以在http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/免费下载，本文用的是1.9版。

这里还是以同时显示NBO 12和NBO 56的等值面图为例。首先需要用Multiwfn分别生成NBO 12和NBO 56对应的.cub格点文件。启动Multiwfn，输入.fch或NBO plot文件名后依次输入 5 //生成格点数据 4 //轨道波函数 12 //NBO 12

2 //中等质量格点数据

2 //将生成的格点数据保存到当前目录下MOvalue.cub中。然后我们将此文件改名为NBO12.cub 0 //返回主界面 5 //生成格点数据 4 //轨道波函数 56 //NBO 56

2 //中等质量格点数据

2 //将生成的格点数据保存到当前目录下MOvalue.cub中。然后我们将此文件改名为NBO56.cub

现在关闭Multiwfn，启动VMD，将NBO12.cub和NBO56.cub依次拖进VMD主窗口。选主界面中的Graphics-representations，将新窗口上方的Selected Molecule切换到NBO 12。将已有的那个显示方式的Drawing Method改为CPK。然后点Create Rep，将新产生的显示方式的Drawing Method改为Isosurface，Draw改成Solid Surface，Show改成Isosurface，Isovalue改为0.05，将

Coloring Method改为ColorID并在旁边选7 Green。然后再以相同的方式建一个显示方式，但ColorID选0 Blue，Isovalue改为-0.05。这时NBO 12的等值面就出现了。之后在Selected Molecule中切换到NBO56，按照处理NBO 12的方法也通过建立两个显示方式来显示NBO 56的等值面。得到的图像如下

在VMD中这两个轨道的等值面还可以用透明的方式显示。将前面建立的四个显示方式中的Material都设为GlassBubble，然后在主界面里面选

Graphics-Colors-Display-Background-8 white将背景变为白色，在主界面里选Display-Rendermode-GLSL，就能看到希望的效果。如果想获得更好效果可以用渲染器（当GLSL无法打开时，也只能通过渲染器才能获得透明效果）。例如，在主界面的File-Render里面选Tachyon (internal, in-memory rendering)然后点Start Rendering，就会出现下面的图，重叠区域显示得相当清楚。

在Multiwfn里不能同时显示多于两条轨道的等值面（因为这种情况一般很少涉及，所以不打算支持）。如果想同时显示三条及以上轨道的等值面的话，就只能用VMD来实现。方法很简单，就是将更多的轨道的cub文件拖进VMD里并进行同样的设置即可，想同时显示多少条轨道都没问题。

5 生成轨道波函数等值线图

Multiwfn能够绘制的平面图种类很多，包括填色图、等值线图、地形图、梯度线图、向量场图。绘制过程很简单，选项也很灵活，在Multiwfn手册的4.4节里给出了很多实例。这里只介绍一下如何作同时含有两个轨道的等值线图（其它类型的图只能一次做一个轨道的）。

这次还是作NBO 12和NBO 56的图，对于表现它们的交叠情况，最合适的作图平面应当是垂直于分子面且穿过N和C的那个平面。这个面不是XY/YZ/XZ面之一，也没法用三个原子坐标来定义。在Multiwfn里定义这个面最好通过指定的三个坐标点来定义。第一个和第二个点的坐标就设为C和N的坐标，而第三个点的坐标设为在C或者N的坐标的基础上往Z方向稍微移动一点（Z轴垂直于分子平面）。 启动Multiwfn，载入.31和.37文件（或载入.fch文件），然后依次输入 4 //绘制平面图 4 //轨道波函数

12,56 //两个NBO轨道的编号。如果只输入一条轨道的编号，做出来的图就是一条轨道的

直接敲回车，用默认的格点设定

5 //通过输入三个坐标点来定义作图平面

0.000000 0.794089 0.000000 //第一个坐标点，即C的位置。X/Y/Z坐标可以用逗号或空格来分隔，单位是bohr。在进入主功能0的时候屏幕上就会出现各个原子的坐标，可以直接将其拷贝下来粘贴到此处，如果不知道怎么拷贝，可以参见手册5.4节

-1.778942 -1.064235 0.000000 //第二个坐标点，即N的位置

-1.778942 -1.064235 1.000000 //第三个坐标点，是在N的位置的基础上往Z正方向挪了1 bohr得到的。挪的距离需要反复尝试找到最佳的，不合适的值会使感兴趣的区域不在图的中央。

得到的图是如下这样的，实线和虚线代表正值和负值部分

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/khlv.html