計算化学ノート / 10 NCIplot

Noncovalent Interaction Plot

NCIplot

NCI解析に特化したprogramとして、波動関数由来密度またはpromolecular densityからRDG、density、VMD scriptを生成します。

位置づけ
NCI専用real-space解析
主な入力
wfn/wfxまたはXYZ、NCI input
主な出力
density/RDG cube、dat、VMD script

1. 概要

NCIplotは電子密度ρとreduced density gradient（RDG）をgrid上で計算し、低density・低RDG領域を非共有結合性相互作用として可視化します。理論式とsign(λ2)ρの読み方はMultiwfn章のNCI節と共通です。

専用inputからgrid、fragment、cutoff、出力を固定しやすく、batch計算と再現可能なNCI図の作成に向きます。

2. Wavefunction densityとpromolecular density

入力密度特徴
.wfn/.wfx量子化学計算の波動関数から評価分極・結合形成を反映。計算条件に依存。
.xyz孤立原子密度の重ね合わせ高速で大系に適用しやすいが、分極・charge transferを自己無撞着に含まない。

二つのdensity modelの結果を同じものとして比較しません。特にイオン、強い水素結合、反応途中の構造では差が重要になり得ます。

3. 導入と実行環境

公式repositoryのsourceをFortran compilerでbuildし、原子density dataを参照するNCIPLOT_HOMEを設定します。

Shell outline
git clone https://github.com/aoterodelaroza/nciplot.git
cd nciplot/src
# Makefile.incでcompilerとflagsを環境に合わせる
make

export NCIPLOT_HOME=/absolute/path/to/nciplot
export OMP_NUM_THREADS=4

compiler、flags、commit/tag、OpenMP thread数を記録します。clusterではmodule、library、stack size等も実行scriptへ残します。

4. 入力file

最小入力は分子数とwavefunctionまたはXYZ fileです。次はwavefunction densityを使う例です。

water-dimer.nci
1
water-dimer.wfn

OUTPUT 3
CUTOFFS 0.20 2.00
CUTPLOT 0.05 0.50
ISORDG 0.50

XYZを指定するとpromolecular densityを用います。複数分子または選択atomをfragmentとして扱う場合はFRAGMENT、分子間成分へ絞る場合はINTERMOLECULARを使用します。

Shell
nciplot water-dimer.nci water-dimer.out

NCIplot入力例をダウンロード

5. Gridとcutoff

  • CUBE / RADIUS / RTHRESgrid領域と分子周囲の余白を定義。
  • INCREMENTSx/y/z方向のstep lengthを定義。
  • CUTOFFSdatへ記録するdensity・RDG範囲を制御。
  • CUTPLOTこの版ではdensity上限とRDG isovalueを2値で指定。
  • ISORDG生成VMD scriptのRDG isovalueを指定。

異なる系を比較するときは、grid spacing、density cutoff、RDG isovalue、sign(λ2)ρ色範囲を共通化します。default値を使った場合もversionとともに記録します。

6. 出力fileとVMD

出力内容
*-dens.cubeelectron density。等値面のcoloringにも利用。
*-grad.cubeRDG。低いisovalueで相互作用領域を表示。
*.datsign(λ2)ρ等に対するRDG scatter用data。
*.vmdVMDでcubeを読み込んで表示するscript。

VMD scriptを開始点として使い、最終図ではisovalue、color scale、material、background、projection、分子orientationを記録します。

7. Multiwfnとの関係

NCIplotはNCIに集中し、明示的なinput fileとVMD script生成を備えます。MultiwfnはNCIに加えてIGMH、IRI、QTAIM、ESP、orbital等を同じwavefunctionから解析できます。

標準的NCI図をbatchで作る場合はNCIplot、NCI/IGMH/IRIを横断して同じ系を解析する場合はMultiwfnという使い分けが考えられます。どちらを使っても、density modelとgrid条件が結論を左右します。

8. 検証

  • Input densitywfn/wfxまたはpromolecular、method、basis、geometry。
  • Grid全interaction領域を含み、境界で等値面が切れていないか。
  • Cutoffdensity、RDG、plot、intermolecular判定の値。
  • Colorsign(λ2)ρの範囲と色方向。
  • Comparison同一条件の図とscatterを併用し、視覚印象だけで結論を出さない。

Reproducible Example

9. 水二量体のNCI解析

固定した水二量体構造についてPySCFでRHF/def2-SVP波動関数を計算し、NCIplot 4.2.1 alphaでwavefunction-density由来のNCI解析を行いました。

SCF収束
全エネルギー-151.89476531 Eh
grid間隔0.12 Å
RDG isovalue0.50
RDG = 0.50
−5+5

sign(λ2)ρ × 1000 (青: attractive-like、緑: weak-contact-like、赤: repulsive-like)

RDG Cubeが表面形状、signed-density Cubeが表面色を決めます。色範囲は−5～+5で固定しています。 3Dmol.js 2.5.5

水二量体のNCI等値面
RDG = 0.50の面をsign(λ2)ρ × 1000で着色。
水二量体の標準的なNCI scatter
横軸sign(λ2)ρ、縦軸RDGのscatter。点色とカラーバーは表面色に対応します。

図の見方

  • 低RDGかつsign(λ2)ρが負の点はattractive-likeです。この例ではO-H···O間の青寄りの面と負側のspikeが対応します。
  • 0付近の緑は弱い接触・分散的領域として現れやすく、正側の赤はrepulsive/steric-likeな密度重なりに対応します。
  • 色は相互作用の定性的指標です。表面積、色、spike位置から水素結合energyを直接求めることはできません。
  • density model、grid、cutoff、isovalueを変えると図も変わるため、比較では同じ設定を固定します。
NCI inputWFNRDG CubeColor CubeScatter data計算条件JSON生成スクリプト

10. 参考文献・公式資料

  1. NCIplot, Official repository and manual.
  2. J. Contreras-García et al., “NCIPLOT,” J. Chem. Theory Comput. 2011. DOI
  3. E. R. Johnson et al., “Revealing Noncovalent Interactions,” J. Am. Chem. Soc. 2010. DOI
  4. VMD, Official site.

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