参考資料と備忘録

【電子状態計算／量子化学計算について】

• Introduction to Computational Chemistry（Frank Jensen先生による計算化学の網羅的な解説書；第2版のPDF版がネット上でダウンロード可能）
• Modeling materials using density functional theory（DFT（密度汎関数理論）を用いた材料研究スキル習得のためのテキスト）
• Gaussian日本語マニュアル ― 基底関数系（コンフレックス株式会社）
• Basis Set Exchange（基底関数のデータベース）
• SCRF（Gaussianプログラムの溶媒効果のオプションなど；HPCシステムズ）
• SIESTA（電子状態計算ソフトウェア「SIESTA」の公式ページ）
• （古い）GGA Pseudopotential Database（SIESTAで利用可能な擬ポテンシャルデータベース）
• pseudo-dojo（擬ポテンシャル(pseudopotential)のデータベース）
• SIESTAプログラムの理論背景・実践例
• SIESTAの特長 - CAEソリューション（JSOL株式会社による日本語のマニュアル）
• SIESTAの紹介ページ（株式会社アフィニティサイエンス）
• Quantum ESPRESSO PSLIBRARY（電子状態計算ソフトウェア「Quantum ESPRESSO」の擬ポテンシャルライブラリ）
• https://www.materialscloud.org/discover/sssp: Standard solid-state pseudopotentials (SSSP)（折れ線グラフの様子からエネルギーカットオフを見積もる）
• はじめてのVASP 原理から使用法，適用例まで（西谷滋人先生による第一原理計算ソフトVASPのビギナー向け手引き；直リンクにつき注意）
• xTB User Guide（xTBプログラムの資料；xTBは電子状態計算ソフトウェア「Orca」で利用可能）※ 周期境界条件も課すことができるがGRRMとの連携は挙動が不安定；計算速度が速いのでポリマーやクラスターモデルなどの大規模な反応経路探索に利用することが多い
• DFTB+ マニュアル（2023年1月現在の最新バージョンは Version 22.2；DFTB+のインプットレシピ集も参考に；"About DFTB"）※「密度汎関数理論に基づくタイトバインディング（DFTB）法」を実装した電子状態計算ソフトウェアが「DFTB+」である※ 周期境界条件も課すことができる；計算速度が速いのでポリマーや大きめの有機分子などの大規模な反応経路探索に利用することが多い※ DFTB-SCCの参考文献：M. Elstner, D. Porezag, G. Jungnickel, J. Elsner, M. Haugk, Th. Frauenheim, S. Suhai, and G. Seifert, "Self-consistent-charge density-functional tight-binding method for simulations of complex materials properties" Phys. Rev. B, 1998, 58, 7260–7268.
• ATOM User manual（電子状態計算ソフトウェア「ATOM」のマニュアル）
• List of quantum chemistry and solid-state physics software（各種量子化学計算プログラムのスペックの比較・一覧；wikipediaの記事）
• Atomic Charges in Molecules: A Classical Concept in Modern Computational Chemistry（分子の原子電荷についてまとめられた記事）
• Effective Core Potential (ECP) Basis Sets（有効内殻ポテンシャル（ECP）を取り入れた基底関数に関するYale大学Batista研の資料）
• 分子軌道法計算プログラム Gaussian 03　―その 6 ―（熱力学諸量の計算方法について詳説されているテキスト；丸善出版の「実験化学講座」の計算化学の巻も参考に）
• 分⼦動⼒学計算によるタンパク質の機能解析（中津井雅彦先生によるタンパク質の機能解析を題材とした分⼦動⼒学計算（MD）の解説）
• 第一原理計算入門
• 「第一原理計算の諸条件：サンプル k 点， カットオフ・エネルギー，擬ポテンシャル」
• 通常，サンプルk点は等間隔のメッシュ上に空間的になるべく均等になるように採られる。ある方向に実空間でN倍にした系の計算精度が，元の系と同等であるためには，同じ方向に対するサンプルk点を1／Nにすれば良い。
• ある電子状態（原子）で作成された擬ポテンシャルが，別の環境，例えば，電子配置の異なる原子や，結晶中等，に移行（transfer）した場合に，新しい環境での全電子計算の結果をどのぐらい再現できるかという性質を "transferability" と呼ぶ。
• 擬ポテンシャルが，少ないカットオフエネルギーで十分記述できるときにはソフトな擬ポテンシャルといわれ，逆に高いカットオフエネルギーが必要とされるときにはハードな擬ポテンシャルといわれる。
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• H.J. Monkhorst, J.D. Pack, "Special points for Brillouin-zone integrations," Phys. Rev. B, 13 (1976), p. 5188
• "Electronic Structure of TiO2 Surfaces and Effect of Molecular Adsorbates Using Different DFT Implementations"
  表面吸着物の電子状態計算に関して、次の3種類の計算手法を比較した論文
  (i) all-electron calculations with localized Gaussian basis sets (using CRYSTAL06)
  (ii) pseudopotential calculations with localized basis sets (using SIESTA)
  (iii) pseudopotential calculations with plane-wave basis sets (using PWSCF distributed within the Quantum ESPRESSO suite of codes)
• Hubburd U パラメータによるクーロン相互作用の補正（バンドギャップを過小評価するDFT特有の問題に対する補正）：https://www.jim.or.jp/journal/m/pdf3/56/09/554.pdf
• DFT+U法（LDA/GGA＋U 法の総称）に関してよく引かれる論文：Vladimir I. Anisimov, Jan Zaanen, and Ole K. Andersen, Band theory and Mott insulators: Hubbard U instead of Stoner I, Phys. Rev. B 44, 943 – Published 15 July 1991
• Quantum ESPRESSOのマニュアル：https://www.quantum-espresso.org/Doc/user_guide_PDF/Hubbard_input.pdf
• U (eV単位) の値は、Uを色々変えて計算したバンドギャップや格子定数の値をもとに、実験値をよく再現する値をその都度計算者が決定する必要がある。多くの場合、概ね数eV程度となる。
• 酸化物などの系で用いられる手法。吸着エネルギーには大きく影響しない場合があり、色々な吸着種間で吸着エネルギーの相対値を比較する際には必ずしも用いられないことがある。（ただし、最近ではほとんどの研究でDFT+U法が用いられており、使っていないとむしろ不自然に思われる可能性がある）
• Methane oxidation over palladium oxide: From electronic structure to catalytic conversion
  ※ Chapter 4 "Reactions on surfaces" : 表面と吸着物の電子的な相互作用について
• 「量子化学計算による酸化還元電位の算出法」（測定法小委員会によるPDF資料）
• T. Matsui, Y. Kitagawa, M. Okumura, Y. Shigeta, S. Sakaki, "Consistent Scheme for Computing Standard Hydrogen Electrode and Redox Potentials", J. Comput. Chem. 2013, 34, 21–26. （DFT計算に基づいて還元電位を計算する手続きに関する研究）
• 「第一原理計算による電気化学界面・反応シミュレーションの考察」
• Programming Tutorial in Chemistry by Python（計算化学のPython版チュートリアル；バージニア工科大学Crawford研がGitHub上で公開しているC++ベースの "C++ Programming Tutorial in Chemistry" が元ネタ）
• Computational Organic Photochemistry
• Quantum Native Dojo（株式会社QunaSysが2019年から提供している量子力学･量子化学のチュートリアルサイト）
• Quantum Computation and Quantum Information（10th Anniversary Edition；Michael A. Nielsen & Isaac L. Chuang；量子コンピューティングの著名なテキスト；→書籍版）
• Qiskit を使った量子計算の学習（Qiskit Communityチームが提供する量子計算のチュートリアルを有志が邦訳したもの）
• 学部学生のための量子化学講義ノート
• 「Born−Oppenheimer近似と断熱近似」（山崎勝義先生による物理化学Monographシリーズの一つ；「量子論におけるブラ・ケット表記」も非常に分かりやすいのでオススメです）
• RUNNING GAUSSIAN 09 JOBS MORE EFFICIENTLY （メモリやプロセッサ数を過剰に割り当てても計算性能が線形に向上する訳ではない、というお話）
A comment on spin contamination by ChatGPT-4 (provided at 2023/11/21)

量子化学計算における「spin contamination」は、主に電子のスピンを取り扱う計算において発生する問題です。これは、理論的には特定のスピン状態（例えばシングレット、ダブレット、トリプレットなど）であるべき分子や原子の計算が、他のスピン状態の特性を誤って含む場合に起こります。

Spin Contaminationの具体的な状況
不正確な波動関数の使用: Spin contaminationは、特にハートリー・フォック（HF）や密度汎関数理論（DFT）のような一電子近似手法で見られます。これらの方法は、多電子系の波動関数を一電子軌道の積として近似するため、スピン対称性が正確に保たれないことがあります。

励起状態の計算: 励起状態、特にトリプレット状態などの高次のスピン状態を計算する際にもspin contaminationが発生しやすいです。これは、基底状態に対する近似が励起状態のスピン特性を正確に表現できないためです。
不安定な分子構造: 特定の不安定な分子や遷移状態では、スピンの混入が発生しやすくなります。これは、分子の対称性や電子構造が複雑であるため、一般的な近似手法では適切にスピン状態を記述できない場合があるためです。

Spin Contaminationの検出と対策

スピン汚染の検出: 計算された波動関数のスピン期待値を計算することで、spin contaminationの存在を検出できます。理想的なスピン純度の状態では、スピン期待値は特定の整数または半整数の値になります。

対策: Spin contaminationを減らすためには、より高度な多体波動関数手法（例えば結合クラスター理論や多配置自己無撞着場（MCSCF）理論）を使用することが有効です。これらの方法は、多電子相互作用をより正確に取り扱うことができます。

Spin contaminationは、量子化学計算の正確さと信頼性に影響を与えるため、特に精密な計算を必要とする研究では注意深く扱われるべき問題です
                  

• スピン多重度とスピン二乗値の対応関係は次の表の通り。スピン二乗値（S**2）はGRRMのアウトプットファイルに記載されている。（参考：http://junzhu.chem8.org/sites/default/files/Open%20shell%20systems.pdf ）
  ※spin quantum number （スピン量子数）Sに対して S(S+1) がスピン二乗値に相当する。
  

spin quantum number スピン量子数 S	spin multiplicity スピン多重度 2S+1	total spin S**2 = S(S+1)
0	1 (singlet)	0.00
1/2	2 (doublet)	0.75
1	3 (triplet)	2.00
3/2	4 (quartet)	3.75
2	5 (quintet)	6.00
5/2	6 (sextet)	8.75
3	7 (septet)	12.00
7/2	8 (octet)	15.75
4	9 (nonet)	20.00
9/2	10 (decatet/dectet)	24.75
5	11 (11重項状態)	30.00

【GRRM関連のテキスト】

• 「 化学反応経路の自動探索 」大野先生と前田先生による総説（2011年時点での内容）
  【※補足】当時はAFIR法（人工力誘起反応法；じんこうりょくゆうきはんのうほう）が存在しなかったため、 反応経路探索はADDF法によるものに限られていました。一時期、ADDF法は「GRRM法」と呼称されており、 その名残のせいか、現在でもGRRMプログラムによる反応経路探索手法を総称して 「GRRM法」と呼ぶ人がいらっしゃいます。しかし現在ではAFIR法が確立されてきたことに伴い、 「GRRM法」という名称は一般に用いられなくなっていることに注意してください。
• Artificial Force-Induced Reaction Method for Systematic Elucidation of Mechanism and Selectivity in Organometallic Reactions
• A. Nakao, Y. Harabuchi, S. Maeda, K. Tsuda, " Leveraging algorithmic search in quantum chemical reaction path finding ," Phys. Chem. Chem. Phys. 2022, 24, 10305–10310. （反応経路探索の方向･空間の決定にrapidly-exploring random tree (RRT)法を適用して EQのクラスタリングを工夫した研究；従来のBoltzmann/SC-AFIR（1万経路を上限に探索）と kinetics/SC-AFIR（速度論ナビゲーションを適用して探索）と比較して効率的に目的物に到達できている； 構造間のグラフ同型チェックにはNetworkX pythonライブラリ（https://networkx.org/）を使用）
• クライゼン転位反応の反応経路を追跡する
• GRRM Tips のページも参照のこと
• Optimizetion on Potential Energy Surface （自作の練習用プログラムをNotebook形式でまとめたものです）
• P. Ruelle, U. W. Kesselring, H. Nam-Tran, Abinitio Quantum-Chemical Study of the Unimolecular Pyrolysis Mechanisms of Formic-Acid. J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 371–375, DOI: 10.1021/ja00263a004 （気相中におけるギ酸の熱分解に関する論文）
  Y. Harabuchi, S. Maeda, T. Taketsugu, K. Ohno. Direct Pathway for Water–Gas Shift Reaction in Gas Phase. Chem. Lett. 2014, 43 (2), 193–195. DOI: 10.1246/cl.130940 （WGS反応のGRRMによる全探索）
• RCMC法に関するHighlight Review: Y. Sumiya and S. Maeda, "Rate Constant Matrix Contraction Method for Systematic Analysis of Reaction Path Networks" Chem. Lett. 2020, 49, 553–564. DOI: 10.1246/cl.200092

• • Claisen転位について
    → "Über Umlagerung von Phenol-allyläthern in C-Allyl-phenole" Chem. Ber. 1912, 45, 3157–3166. （Claisenによる転位反応の報告；Claisen転位の初出論文）
    → "The Kinetics of the Rearrangement of Vinyl Allyl Ether 1" J. Am. Chem. Soc. 1950, 72 (7), 3155–3159. （実験的に得られているアリルビニルエーテルのクライゼン転位反応の速度定数は 469.1 Kにおいて k = 2.875 × 10⁻³ と測定されており， ここから 469.1 Kにおける活性化障壁は ΔG^‡ = 139.5 kJ/mol と見積もられる）
    → "Mechanism of the Claisen Rearrangement of Allyl Vinyl Ethers" J. Am. Chem. Soc. 1989, 111 (2), 511–519.
    （多くのClaisen転位反応は200～300℃の反応温度で 数分～数十分程度で完結する）
  • Cope転位について
    → "The Introduction of Substituted Vinyl Groups. V. A Rearrangement Involving the Migration of an Allyl Group in a Three-Carbon System" J. Am. Chem. Soc. 1940, 62 (2), 441–444. （Copeによる転位反応の報告；Cope転位の初出論文）
  • Oxy-Cope転位：A. Berson, M. Jonesによる最初の報告 （2-exo-vinyl-2-endo-hydroxybicyclo[2.2.2]octene の反応； 反応には300℃以上の高温条件が必要）
    → "A Synthesis of Ketones by the Thermal Isomerization of 3-Hydroxy-1,5-hexadienes. The Oxy-Cope Rearrangement" J. Am. Chem. Soc. 1964, 86, 5019–5020.
    → "Stepwise Mechanisms in the Oxy-Cope Rearrangement" J. Am. Chem. Soc. 1964, 86, 5017–5018.
    → "[3,3] Sigmatropic rearrangements of 1,5-diene alkoxides. Powerful accelerating effects of the alkoxide substituent" J. Am. Chem. Soc. 1975, 97, 4765–4766. （D. A. Evans と A. M. Golob により， カリウムアルコキシドなどの存在下では 低温でも極めて迅速に反応が進行することが見出された）
    → "Recent applications of anionic oxy-cope rearrangements" （1997年時点での総説；反応条件によって生成物選択性が生じる）

• 博士論文紹介「化学反応素過程の複雑ネットワークに対する速度解析」 （住谷陽輔先生の博士論文紹介； 開発者本人によるRCMC法の日本語解説記事）
• B. Cordero, V. Gómez, E. Platero-Prats, M. Revés, J. Echeverría, E. Cremades, F. Barragán, S. Alvarez, "Covalent radii revisited", Dalton Trans. 2008, 0, 2832–2838. （共有結合半径）

【遷移状態理論について】

• E. Wigner, " On the Quantum Correction For Thermodynamic Equilibrium " Phys. Rev. 1932, 40, 749–759. （Wignerのトンネリングファクターの補正）
• P. Bell, " The tunnel effect correction for parabolic potential barriers " Trans. Faraday Soc. 1959, 55, 1–4. （より一般の調和ポテンシャル面上での摂動展開によるトンネリングファクターの補正）
  The Wigner formula represents the first correction term in a perturbative expansion for a parabolic barrier, and is therefore only accurate in the limit of a small tunneling correction. There are many cases for which the tunneling correction is very large; for these cases the Wigner model is inappropriate.
• I. Shavitt, " A Calculation of the Rates of the Ortho‐Para Conversions and Isotope Exchanges in Hydrogen " J. Chem. Phys. 1959, 31, 1359–1367. （Shavitt補正と呼ばれるWigner補正の拡張も知られている）
• （変分的遷移状態理論に関するレヴュー） Variational transition state theory: theoretical framework and recent developments （Review Article；Bao JL, Truhlar DG (2017) Chem Soc Rev 46:7548）
• M. Bickelhaupt, N. Houk, "Analyzing Reaction Rates with the Distortion/Interaction-Activation Strain Model" , Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 10070–10086. （レヴュー；Activation Strain Model - 歪み/相互作用による反応速度の解析）
• 燃焼の反応機構と反応素過程 — (2) 反応速度定数 （広島大の三好明先生による解説）
• 真空と表面 （東京大の福谷克之先生による表面吸着に関する解説； 熱脱離確率と平均滞在時間に関する記載がある）
• 反応障壁から反応速度定数を求めるプログラム （反応温度 K、反応障壁 kJ/mol、虚振動数 cm⁻¹ の入力から Wigner補正を適用した反応速度定数を計算する）
• 反応速度定数から反応障壁を求めるプログラム （上記の逆の計算を行うプログラム）
• 半減期が約1時間に相当する活性化障壁と温度の関係（遷移状態理論に基づく； 虚振動数による補正はせず、透過係数を 1 と仮定）
  

  1000 K	326 kJ/mol
  900 K	293 kJ/mol
  800 K	260 kJ/mol
  700 K	226 kJ/mol
  600 K	193 kJ/mol
  500 K	160 kJ/mol
  400 K	128 kJ/mol
  300 K	94.8 kJ/mol
  200 K	62.6 kJ/mol
  100 K	30.7 kJ/mol

  速度論ナビゲーションのパラメータセットの参考にしてください。

【グラフ理論ほか】

• H. Edelsbrunner, D. Kirkpatrick and R. Seidel, " On the shape of a set of points in the plane ", IEEE Transactions on Information Theory 1983, 29 (4), 551–559. doi: 10.1109/TIT.1983.1056714. （アルファシェイプを初めて定義した論文）
• Aktas, M.E., Akbas, E. & Fatmaoui, A.E. Persistence homology of networks: methods and applications. Appl Netw Sci 4, 61 (2019). https://doi.org/10.1007/s41109-019-0179-3 （Persistence homology（パーシステントホモロジー）の応用に関する論文）
• Graph Neural Networks - GNNBook@2022 （グラフニューラルネットワーク（GNN）に関する教科書；PDFが無料で公開されている）
• Trading bits in the readout from a genetic network

【化学に関する勉強用論文･テキスト】

• 領域プロジェクト「理論による化学のシミュレーション」 （常田貴夫 先生）
• 量子化学計算から燃焼反応機構への道標─理論化学的手法の現状と将来─ （小口達夫 先生）
• （構造最適化について）H. B. Schlegel, "Geometry optimization" Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci. 2011, 1, 790–809.
• （溶媒効果に関するレヴュー）R. E. Skyner, J. L. McDonagh, C. R. Groom, T. van Mourik and J. B. O. Mitchell, "A review of methods for the calculation of solution free energies and the modelling of systems in solution" Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17, 6174–6191.
• （有機分子の歪みエネルギーに関するレヴュー） The Concept of Strain in Organic Chemistry - Prof. Kenneth B. Wiberg (B. Wiberg, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1986, 25, 312–322.)
• ADDF法, AFIR法以外の反応経路探索に関する論文 （10.1021/acs.jpca.6b12195 の分類に基づき適当に列挙）
  • (gradient extremal following (GEF) method) "On finding transition states" Cite as: J. Chem. Phys. 1981, 75, 2800; https://doi.org/10.1063/1.442352
  • (reduced gradient following (RGF) method) "Determination of energy minima and saddle points using multireference configuration interaction methods in combination with reduced gradient following: The S0 surface of H2CO and the T1 and T2 surfaces of acetylene" Cite as: J. Comput. Chem. 2002, 23, 576–583; https://doi.org/10.1002/jcc.10054
  • (coordinate driving methods) "New Software for Exploring Interconversions on Potential Energy Surfaces" Cite as: J. Chem. Inf. Comput. Sci. 1999, 39, 705–712; https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ci9804138
  • (Growing String Method; GSM) "Reliable Transition State Searches Integrated with the Growing String Method" Cite as: P. Zimmerman, J. Chem. Theory Comput. 2013, 9 (7), 3043–3050; https://doi.org/10.1021/ct400319w
    → これを表面反応探索に応用した研究: "Reliable and Efficient Reaction Path and Transition State Finding for Surface Reactions with the Growing String Method" M. Jafari and P. M. Zimmerman; https://doi.org/10.1002/jcc.24720
  • (stochastic surface walking based reaction sampling (SSW-RS) method) "Stochastic Surface Walking Method for Structure Prediction and Pathway Searching" Cite as: J. Chem. Theory Comput. 2013, 9 (3), 1838–1845; https://doi.org/10.1021/ct301010b
  • (combined molecular dynamics and coordinate driving (MD/CD) method) "Automatic Reaction Pathway Search via Combined Molecular Dynamics and Coordinate Driving Method" Cite as: J. Phys. Chem. A 2017, 121, 1351–1361; https://doi.org/10.1021/acs.jpca.6b12195
• （反応経路分岐 "Bifurcation" に関するmini-review） D. H. Ess, S. E. Wheeler, R. G. Iafe, L. Xu, N. Celebi-Olcum, K. N. Houk, "Bifurcations on Potential Energy Surfaces of Organic Reactions" Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47, 7592–7601.
• （「Müller･Brownポテンシャル」のオリジナル） K. Müller, L. D. Brown, "Location of Saddle Points and Minimum Energy Paths by a Constrained Simplex Optimization Procedure" Theor. Chem. Acc. 1979, 53, 75–93.
• （汎関数のパフォーマンスのベンチマーク） G.-X. Zhang, A. M Reilly, A. Tkatchenko, M. Scheffler, "Performance of various density-functional approximations for cohesive properties of 64 bulk solids" New J. Phys. 2018, 20, 063020/1–19. （固相系ではPBE汎関数（必要に応じてvdW効果を考慮）がコスト的にも第1選択になり得る）
• 第一原理計算による band gap の評価
• （Brillouin zone（ブリュアンゾーン）のk点の分類と図示） W. Setyawan and S. Curtarolo, High-throughput electronic band structure calculations: Challenges and tools Comput. Mater. Sci. 2010, 49, 299–312. （Appendixに格子ごとのk点の分類と図示が掲載されている）
• Journal of Chemical Education （化学教育を志向するACS系の雑誌；研究分野のバックグラウンドを勉強するのにちょうどよい）
• IntechOpenの「化学」のライブラリ （IntechOpenはOA図書出版社（掲載内容は査読有り）； IntechOpen Book Seriesについて ）
• For metal complexes, the stability and reactivity are described in thermodynamic and kinetic terms, respectively. In particular, the terms stable and unstable are related to thermodynamic aspects, whereas labile and inert terms are related to kinetic aspects. （ Stability of Metal Complexes ）
• " Statistical methods in atomistic computer simulations " （ Michele Ceriotti 先生；スイス連邦工科大学ローザンヌ校 教授）
• 「無料で読める学術誌：誰でも最先端の研究に触れられる！」- はじめよう固体の科学
• TOF（触媒回転頻度）：一つの触媒サイトにおいて単位時間あたりに生成物に変換できる分子数の最大値である。 触媒の最高効率を表す。
  TON（触媒回転数）：触媒が不活性化する前に、触媒１モルあたり（または触媒サイト１モルあたり） 変換できる物質のモル数（または分子数）である。触媒の安定性（寿命）を表す。
• Isodesmic Reaction（アイソデスミック反応）：反応物で切断される化学結合の種類と、 反応生成物で形成される結合の種類が同じであるような化学反応のこと。このタイプの反応では、 結合の総数と種類が保たれているため、反応前後のエネルギー的な誤差が相殺され、 計算レベルの高低によらず熱化学のエネルギー差（反応エネルギー）を良い精度で見積もることができるとされている。
  ※参考： What are Isodesmic Reactions?

【動画など】

• 湯どうふ(化学の勉強)
• 密度汎関数理論に基づく第一原理計算ざっくり入門(固体材料編)
• SIESTAからはじめる材料解析I －第一原理計算とは？－
• SIESTAからはじめる材料解析II －事例で見る第一原理計算－

【化合物･構造データベース+その他】

• PubChem
• ChemSpider
• Chemical Identifier Resolver
• The Materials Project
• Aldrich （Merck社の提供する化合物検索システム；大量検索には向かない）
• H. Shudo, M. Kuwayama, Y. Segawa, K. Itami, "Synthesis of cycloiptycenes from carbon nanobelts" Chem. Sci. 2020, 11, 6775–6779. （SIのzipにカーボンナノベルト類のxyz座標）
  カーボンナノベルトは芳香環の接合様式によって「アームチェア型」と「ジグザグ型」に分類される。 （参考→ 東工大の研究 ）
  N. Hayase, J. Nogami, Y. Shibata, K. Tanaka, "Synthesis of a Strained Spherical Carbon Nanocage by Regioselective Alkyne Cyclotrimerization" Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 9439–9442. （SIのpdfにカーボンナノケージのxyz座標）
  cf. カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノフレークなど
• Making Molecules というウェブサイトが公開している学部レベルの有機化学のハンドアウト一覧 → https://www.makingmolecules.com/handouts
• The Cambridge Energy Landscape Database （クラスターなどの研究チーム；エネルギー地形）
• Jonathan Doye's Research Group （クラスターなどの研究チーム）
• High-Throughput Molecular Dynamics Simulations and Validation of Thermophysical Properties of Polymers for Various Applications （ガラス転移温度を予測するMDシミュレーションに関する研究；SIにガラス転移温度と密度のデータあり）

【その他のプログラム関係のツール類】

• Creating a surface slab model using VESTA （VESTAを利用したスラブモデルの作り方）
• Molecular Weight Calculator （組成から分子量を計算する）
• GoodVibes （エネルギーの補正計算など）
• SHS4py （Pythonによる超球面探索手法の実装）
• PythonでRDKitを始めよう （RDKitの日本語マニュアル）
• 結晶格子の並進ベクトルの座標計算（Calculate xyz coordinates of translation vectors from cif format）
• matplotlibチートシート （matplotlib公式）
• ML-For-Beginners （microsoftのリポジトリ）
• PyMOL Tutorial （PyMOLはオープンソースの分子グラフィックスツール）
• Docker （ 初心者向けのDocker解説記事 ）

【プログラミング】

GitHubアカウントを持っている人は、GitHubの資料はブックマーク機能で整理しておくと便利です。

プログラミング自体はオンラインアプリを使えば環境構築（＝プログラミング言語を使えるようにする作業）をせずに 誰でもすぐに始めることができます。例えば以下のようなものがあります。

• paiza.io
• Replit
• Pythonメインなら Google Colaboratory なども便利（Notebook形式なので少し慣れが必要かも？）

これらのオンラインアプリでコードを動かすことができます。プログラムを使って何をしたいかによって、 実装の難度が変わってきます。化学科の化学実験II（旧「計算機実習」）の課題はプログラミングスキルとしては いずれも初級レベルの内容です。研究にプログラムを利用する場合はより高度な実装が求められますが、 インターネットを通じてうまく情報収集すれば大抵のことは実現できます。以下に、今後役立つかもしれない プログラミング用の教材を挙げておきます。

【プログラミング全般】

• ドットインストール （様々なプログラミング言語やソフトウェアについて動画付きで項目別に解説しているサイト；初心者向け）
• free-programming-books-ja （GitHubにまとめられている充実の資料； Free Ebook Foundation には様々なリポジトリがあります；リンク集として活用するのがオススメ）
• CS-Notes （アルゴリズム集；中国語（簡体））

【(主に)Python】

• Python チュートリアル （Pythonディベロッパーが提供する本家本元のチュートリアル）
• Python早見帳 （東工大の岡崎直観先生によるPython初学者向けテキスト；ノートブック形式）
• 機械学習帳 （東工大の岡崎直観先生による機械学習初学者向けテキスト；ノートブック形式）
• pandasライブラリ （東大の数理･情報教育研究センターが公開しているテキスト；ノートブック形式）
• Automate the Boring Stuff with Python 第2版（邦訳は『退屈なことはpythonにやらせよう』）
• Deep Learning （Goodfellow先生のテキスト；htmlとして閲覧可能）
• Deep Learning with PyTorch （PDF資料）
• Python Data Science Handbook （html資料）
• 100+ Free Machine Learning Books - Download Best Machine Learning Books PDF
• 100+ Free Data Science Books - Data Science PDF for Beginners and Experts
• An Introduction to Statistical Learning 第2版（邦訳は『Rによる統計的学習入門』）
• ML関連のテキストを紹介するredditのスレッド
  • Phd-level courses
  • Advanced courses update
• プログラミング入門　- Rubyを使って - （化学実験Ⅱで例年利用しているプログラミング実習のテキスト；有志による和訳版）
• Project Euler （研究室配属後のプログラミングの練習用素材；有志による和訳版は こちら ）
• Python for Bioinformatics （バイオインフォマティクスと書いてあるが一般的なPythonの初歩から解説されている；ビデオ解説有り）
• ML for Trading
• matplotlibのめっちゃまとめ
• Pythonのアンダースコア( _ )を使いこなそう！

【JavaScript】

• JavaScript Primer - 迷わないための入門書 （JavaScriptのテキスト）

【Julia言語】

• Julia memorandums （Julia言語のテキスト；日本語マニュアル）
• Juliaでファイル操作 、 File Handling in Julia （こちらも参考に）
• Juliaで競技プログラミングやるときによく書くコードをまとめてみた
• Juliaでの整数・浮動小数点数・文字列・文字間の型変換 - Qiita

【その他】

• 自動微分について:
  • 自動微分を実装して理解する（前編）: https://qiita.com/lotz/items/39c52f08cc9b5d8439ca
  • 自動微分を実装して理解する（後編）: https://qiita.com/lotz/items/f1d4ab1d83dc13a5d81a
• The Elements of Differentiable Programming (arXiv): https://arxiv.org/pdf/2403.14606.pdf （微分可能プログラミングのテキスト）
• 行列積順序問題について: https://en.wikipedia.org/wiki/Matrix_chain_multiplication#More_efficient_algorithms

【Markdown記法】

（1. は辞書のように充実しているのでサクッと調べたいときは 2. を参照のこと）

1. 1. Markdown記法 チートシート - Qiita
   2. Markdown記法 サンプル集 - Qiita

【LaTeX文書関連】

LaTeX形式で卒論修論博論を書きたい方向けの情報をまとめておきます。 「LaTeX 卒論 テンプレート」などで検索すれば大量の情報がヒットします。 レポート課題なんかも数式を多用するのであればLaTeX形式で作成するのがオススメです。 TeXの数式レンダリングは非常に美しいためです。（最初は慣れが必要ですが…）

個人的にはOverleafというオンラインアプリでの作成を推奨しています。こちらも検索すれば大量の情報がヒットします。 中でも東大工学部が公開しているテンプレートは実用的であり貴重です。以下にツールセットを紹介します。

1. 1. Gallery — University of Tokyo - Overleaf（LaTeX形式の卒論修論博論テンプレート）
   2. mathpix （数式の画像をキャプチャしてLaTeXコマンドを生成する「数式起こし」アプリ； 手打ちだと大変な数式でもラクに＆高精度で起こせるので非常に重宝する）
   3. TeXer - AoPS（数式のLaTeXコマンドをリアルタイムレンダリングしてくれるオンラインアプリ； "RENDER MATHJAX" のボタンを押すとMathjax（Javascriptのライブラリ）による リアルタイムレンダリングが実行されます；因みに AoPS は競技数学専門の掲示板です）
   4. 【Python】png,jpeg,gif画像をeps形式に変換する - Qiita （LaTeX文書への画像挿入はeps形式に変換して行うとサイズ指定などがラクです；pdf形式の画像でもOK）

【スパコン関連（マニュアル、scpでのファイル移動など）】

• スパコン関連の資料

1. 1. 京都大学　 https://web.kudpc.kyoto-u.ac.jp/manual/ja
   2. 一週間でなれる！スパコンプログラマ - kaityo256氏 (github)

• scpコマンドでスパコンA（aserver.ac.jp）からスパコンB（bserver.ac.jp）へファイルを移動するには、 移動させる先のサーバーで以下のコマンドを叩く。送信元であるaserverの秘密鍵のパスフレーズが要求されるので 入力すると、データのコピーが開始する。

[hoge@bserver ~]$ scp -i /home/hoge/.ssh/(aserverの秘密鍵) -r hoge@aserver.ac.jp:(移動したいファイルのパス) (移動先のパス)

Enter passphrase for key '/home/nabata/.ssh/(aserverの秘密鍵)':

※上手くいかない場合は秘密鍵の規格が悪い可能性があるので、鍵を別のフォーマットで再作成してみる （MobaXtermの場合は既存の鍵を用いて再作成可能）。
※MobaXtermのバージョンが古いという原因も考えられるので、最新のバージョンにアップグレードして再試行してみること。

【コマンド】

• 初心者のためのよく使うLinuxコマンド一覧 - Rriver
• 【メモ】Linux圧縮/解凍コマンド - Qiita
  • gzファイルの解凍： tar -xzvf xxx.tar.gz
  • ファイル検索： find -name xxx （xxx という名前のファイルを検索）
• Linuxでハードウェア情報を表示するコマンドまとめ - マイナビTECH+
• よく使うLinuxコマンド：

コマンド	説明	使用例
cd	ディレクトリ（フォルダ）を移動する	cd 移動したいフォルダ名
ls	フォルダの内容をリスト形式で表示する	ls
mv	ファイルやフォルダを移動する	mv 移動元 移動先
cp	ファイルやフォルダをコピーする	cp 移動元 移動先
clear	画面を消さずにきれいにする	-
mkdir	フォルダを作成する	mkdir フォルダ名
touch	ファイルを作成する	touch ファイル名
rmdir	空のフォルダを削除する	rmdir フォルダ名
rm	ファイルやフォルダを削除する	rm ファイル名
pwd	現在いるディレクトリを表示する	-
find	ファイルを検索する	find / -name ファイル名
cat	ファイルの内容を表示する	cat ファイル名
diff	2つのファイルの差分を表示する	diff 旧ファイル名 新ファイル名
grep	指定した文字列を含む行を抽出する	grep "検索文字列" ファイル名
chmod	ファイルやフォルダのアクセス権限を変更する	chmod 権限 ファイル名
chown	ファイルやフォルダの所有者を変更する	chown ユーザー名 ファイル名
history	コマンドの履歴を表示する	-
ln	ファイルやフォルダにリンクを作成する	ln リンク元 リンク先
man	コマンドのマニュアルを表示する	man コマンド
apropos	manページの内容を検索する	apropos キーワード
less	テキストファイルをページ単位で閲覧する	less ファイル名
more	ファイルをページ単位で閲覧する	more ファイル名

• 以下のコマンドで IP address や Linux のバージョン、CPU やメモリの情報を取得可能。
  • How to find your IP address in Linux (an example of National Institutes of Natural Sciences (NINS) Okazaki Research Facilities):

[user@ccfep7 ~]$ hostname -I
10.20.32.7 10.10.32.7 133.48.230.17

[user@ccfep7 ~]$ ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host
       valid_lft forever preferred_lft forever
（中略）
7: bond1: <BROADCAST,MULTICAST,MASTER,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default qlen 1000
    link/ether 0c:c4:7a:ea:9f:08 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 133.48.230.17/24 brd 133.48.230.255 scope global noprefixroute bond1
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::8689:732e:69a:2ca0/64 scope link noprefixroute
       valid_lft forever preferred_lft forever

[user@ccfep7 ~]$ ifconfig
bond1: flags=5187<UP,BROADCAST,RUNNING,MASTER,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 133.48.230.17  netmask 255.255.255.0  broadcast 133.48.230.255
        inet6 fe80::8689:732e:69a:2ca0  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
（以下略）

【参考】 インターネット初期に日本に割り振られたIPアドレス一覧 - ぺんたん.info

• • You can find the version of Linux by cat /proc/version. You see the CentOS works.

[user@gr24 ~]$ cat /proc/version
Linux version 3.10.0-693.21.1.el7.x86_64 (builder@kbuilder.dev.centos.org) (gcc version 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-16) (GCC) ) #1 SMP Wed Mar 7 19:03:37 UTC 2018

• • You can find info about CPU by cat /proc/cpuinfo and memory by cat /proc/meminfo.

[user@gr24 ~]$ cat /proc/cpuinfo
processor       : 0
vendor_id       : GenuineIntel
cpu family      : 6
model           : 85
model name      : Intel(R) Xeon(R) Gold 6148 CPU @ 2.40GHz
stepping        : 4
microcode       : 0x2000050
cpu MHz         : 2401.000
cache size      : 28160 KB
physical id     : 0
siblings        : 20
core id         : 0
cpu cores       : 20
apicid          : 0
initial apicid  : 0
fpu             : yes
fpu_exception   : yes
cpuid level     : 22
wp              : yes
flags           : fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush dts acpi mmx fxsr sse sse2 ss ht tm pbe syscall nx pdpe1gb rdtscp lm constant_tsc art arch_perfmon pebs bts rep_good nopl xtopology nonstop_tsc aperfmperf eagerfpu pni pclmulqdq dtes64 monitor ds_cpl vmx smx est tm2 ssse3 fma cx16 xtpr pdcm pcid dca sse4_1 sse4_2 x2apic movbe popcnt tsc_deadline_timer aes xsave avx f16c rdrand lahf_lm abm 3dnowprefetch epb cat_l3 cdp_l3 invpcid_single intel_pt spec_ctrl ibpb_support tpr_shadow vnmi flexpriority ept vpid fsgsbase tsc_adjust bmi1 hle avx2 smep bmi2 erms invpcid rtm cqm mpx rdt_a avx512f avx512dq rdseed adx smap clflushopt clwb avx512cd avx512bw avx512vl xsaveopt xsavec xgetbv1 cqm_llc cqm_occup_llc cqm_mbm_total cqm_mbm_local dtherm ida arat pln pts
bogomips        : 4800.00
clflush size    : 64
cache_alignment : 64
address sizes   : 46 bits physical, 48 bits virtual
power management:
（以下、省略）

[user@ae01 ~]$ cat /proc/meminfo
MemTotal:       196482788 kB
MemFree:        32517940 kB
MemAvailable:   115701312 kB
Buffers:              140 kB
Cached:         82267400 kB
SwapCached:           24 kB
Active:         96958068 kB
Inactive:       62862400 kB
Active(anon):   77498200 kB
Inactive(anon):   153464 kB
Active(file):   19459868 kB
Inactive(file): 62708936 kB
Unevictable:           0 kB
Mlocked:               0 kB
SwapTotal:       8388604 kB
SwapFree:        8383692 kB
Dirty:                16 kB
Writeback:             0 kB
AnonPages:      77553372 kB
Mapped:            53460 kB
Shmem:            98732 kB
Slab:           2029896 kB
SReclaimable:   1765568 kB
SUnreclaim:      264328 kB
KernelStack:      15376 kB
PageTables:      159356 kB
NFS_Unstable:          0 kB
Bounce:                0 kB
WritebackTmp:          0 kB
CommitLimit:   106629996 kB
Committed_AS:   85141900 kB
VmallocTotal:  34359738367 kB
VmallocUsed:     845700 kB
VmallocChunk:  34258257916 kB
HardwareCorrupted:     0 kB
AnonHugePages:    567296 kB
HugePages_Total:       0
HugePages_Free:        0
HugePages_Rsvd:        0
HugePages_Surp:        0
Hugepagesize:       2048 kB
DirectMap4k:      304140 kB
DirectMap2M:     7735296 kB
DirectMap1G:   193986560 kB

• • lscpu command also works.

[user@ae01 ~]$ lscpu
Architecture:          x86_64
CPU op-mode(s):        32-bit, 64-bit
Byte Order:            Little Endian
CPU(s):                40
On-line CPU(s) list:   0-39
Thread(s) per core:    1
Core(s) per socket:    20
Socket(s):             2
NUMA node(s):          2
Vendor ID:             GenuineIntel
CPU family:            6
Model:                 85
Model name:            Intel(R) Xeon(R) Gold 6148 CPU @ 2.40GHz
Stepping:              4
CPU MHz:               2401.000
CPU max MHz:           2401.0000
CPU min MHz:           1000.0000
BogoMIPS:              4800.00
Virtualization:        VT-x
L1d cache:             32K
L1i cache:             32K
L2 cache:              1024K
L3 cache:              28160K
NUMA node0 CPU(s):     0-19
NUMA node1 CPU(s):     20-39
Flags:                 fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush dts acpi mmx fxsr sse sse2 ss ht tm pbe syscall nx pdpe1gb rdtscp lm constant_tsc art arch_perfmon pebs bts rep_good nopl xtopology nonstop_tsc aperfmperf eagerfpu pni pclmulqdq dtes64 monitor ds_cpl vmx smx est tm2 ssse3 fma cx16 xtpr pdcm pcid dca sse4_1 sse4_2 x2apic movbe popcnt tsc_deadline_timer aes xsave avx f16c rdrand lahf_lm abm 3dnowprefetch epb cat_l3 cdp_l3 invpcid_single intel_pt spec_ctrl ibpb_support tpr_shadow vnmi flexpriority ept vpid fsgsbase tsc_adjust bmi1 hle avx2 smep bmi2 erms invpcid rtm cqm mpx rdt_a avx512f avx512dq rdseed adx smap clflushopt clwb avx512cd avx512bw avx512vl xsaveopt xsavec xgetbv1 cqm_llc cqm_occup_llc cqm_mbm_total cqm_mbm_local dtherm ida arat pln pts

【ショートカット＆Tips】

• 【Windows】Ctrl + Z：元に戻す、Ctrl + Y：やり直し
• 【Windows】Ctrl + C / Ctrl + V：コピー＆貼り付け、Ctrl + Shift + V：書式なし貼り付け
• 【MS Word】Shift + Alt + =：数式モード
• 【Windows】Win + Alt + R：画面録画開始／終了（Win + G）
• 【PowerPoint】Ctrl + G：オブジェクトのグループ化
• 高速文字起こし：
  1. PC版LINEなどで画像OCR
  2. URLバーに貼り付けて改行除去
  3. 必要に応じて翻訳
• 印刷不可PDFの対処： Firefoxで開いて画像化 → 印刷またはPDF保存

【情報共有・情報収集アプリケーション】

• Slack ：チーム向け情報共有
• Scrapbox ：相互リンク型メモ
• Zoom ：オンライン会議
• Notion ：タスク管理
• Twitter ：速報的情報収集
• Discord ：コミュニティ運営
• ガクシー ：奨学金検索
• 科学カレンダー
• 日本の研究.com
• connected papers

【参考文献検索・論文の読み方】

1. Google / Google Scholar でキーワード検索
2. 引用・被引用を辿る
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【発表資料作成の基本】

• 文字サイズは本文14pt以上、図表12pt以上
• ページ番号を付与
• 引用形式はRSCまたはACSで統一
• 1スライド1メッセージを意識
• 色は2色程度に抑える
• 負号は「−（U+2212）」を使用
• 図表には必ずキャプションを付ける