注：本文配有演示视频，请认真观看，见https://www.bilibili.com/video/av34024335/
使用Multiwfn+VMD快速绘制高质量分子轨道等值面图
文/Sobereva@北京科音 2018-Oct-17
1 前言
数年之前，笔者写过一篇文章《使用Multiwfn观看分子轨道》（http://sobereva.com/269），其中十分详细介绍了怎么用Multiwfn自己的观看轨道的界面看轨道等值面图，以及如何绘制轨道的曲线图和平面图，也同时介绍了怎么把Multiwfn计算的轨道波函数的格点数据导出成cube文件，然后放到强大的VMD可视化程序里来获得更好的显示效果。那篇文章虽然对Multiwfn和VMD联用讲得非常清楚详细，但一些接受能力差的人和比较懒的人可能还是不愿意尝试用Multiwfn+VMD的组合去绘制轨道。本文的目的是介绍如何利用脚本，将Multiwfn+VMD联用绘制轨道的过程变得极尽方便。这种绘制方法比起常用的GaussView绘制轨道有极大的优势：(1)完全免费 (2)效果完爆GaussView (3)耗时远远低于GaussView（对大体系，本文的做法花的时间比用GaussView少两个数量级甚至更多）。相信读者花几分钟看过本文和演示视频后，就再也不想用GaussView看轨道了。
本文使用2018-Oct-17更新的Multiwfn 3.6(dev)版，绝对不要用更老的版本。Multiwfn可以在其主页http://sobereva.com/multiwfn免费下载，如果对Multiwfn不了解的话强烈建议阅读《Multiwfn入门tips》（http://sobereva.com/167）。VMD用的是1.9.3版，可以在http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/免费下载。对于目前撰文时最新的Multiwfn 3.6(dev)版而言，各种量子化学程序产生的.fch/fchk和.molden文件以及GAMESS-US或Firefly程序的输出文件都可以作为输入文件来用Multiwfn看轨道，简单来说只要是能向Multiwfn提供基函数信息的文件都可以用，详见《详谈Multiwfn支持的输入文件类型、产生方法以及相互转换》（http://sobereva.com/379）。本文假定用户用的是Windows系统，笔者用的系统为Win7-64bit。在Linux系统下也可以类似地按照本文的做法快速地用Multiwfn+VMD绘制轨道，举一反三即可。
2 准备工作
首先把Multiwfn文件包的examples\scripts目录下的showorb.bat和showorb.txt都拷到Multiwfn可执行文件所在目录下。
showorb.bat是Windows下的批处理文件。用户要对它进行编辑，把里面的1.fch改成实际的输入文件名（如果输入文件就在当前目录下，就写文件名就行了，路径不需要写），并且把里面的VMD的路径改成你机子里VMD的实际路径。
showorb.txt里面每一行都是对应在Multiwfn的界面里要敲入的命令。编辑showorb.txt文件内容，把其中第三行设成你要绘制的轨道序号范围。比如你要考察10,20,21,22,23,28,29,30，就写成10,20-23,28-30即可。
把Multiwfn文件包的examples\scripts目录下的VMD绘图脚本showorb.vmd拷到VMD目录下，然后用文本编辑器编辑VMD目录下的vmd.rc，在最后插入此命令：source showorb.vmd。这样，VMD启动时就会自动执行这个绘图脚本，它定义了三个命令，可以在VMD的文本窗口里输入：
orb：用来载入和显示轨道。比如你输入orb 33，就会载入VMD目录下的orb000033.cub，并把它的绘制方式修改为等值面图的形式。之后如果比如再输入orb 34，则33号轨道就会被撤销，而将orb00034.cub以等值面形式显示。此命令显示出的轨道等值面数值默认为0.05，可以自行编辑showorb.vmd来修改默认值。
orbiso：用来修改等值面数值，比如用orb命令显示出了轨道后，再输入orbiso 0.02，就会把轨道等值面数值修改为0.02。
orbclean：用来把VMD目录下所有orb开头的.cub文件全都删掉，免得VMD目录下文件积得多了之后太乱，如果你不嫌乱就不用运行这个。
做完了以上准备工作后，直接双击showorb.bat，这个脚本就会调用Multiwfn去对指定的输入文件计算要考察的各个轨道的格点数据，并且导出为cube文件。比如第20号轨道导出后就叫orb000020.cub。所有算出来的cube文件会被这个脚本自动挪到VMD目录下，只要你看到VMD目录下出现了相应cube文件就算运行成功了。然后启动VMD，在文本窗口输入 orb [序号] 命令就可以显示相应序号的轨道了。
3 实例
这里就用Multiwfn自带的一个NH2-biphenyl-NO2体系作为例子。把examples\excit目录下的D-pi-A.fchk拷到Multiwfn可执行文件所在目录，然后把它改名为1.fch（此文件名和showorb.bat里默认的输入文件名正好对应）。此体系的HOMO是56，假定我们要看它的HOMO-2到LUMO+2，即54到59号轨道，就修改showorb.txt，把其中第三行内容改为54-59。之后双击showorb.bat，算完后启动VMD，输入orb 56来看HOMO，立刻就看到下图，其中轨道波函数的正、负相位部分分别以红、蓝色表示。
如果比如还想看LUMO，就再输入orb 57即可，立刻就会切换为LUMO轨道。
如果想把等值面数值从默认的0.05改成更小的0.02，就输入orbiso 0.02。
如果看完轨道后，想把VMD目录下的cub文件都清掉省得占地方，输入orbclean即可。
4 其它
本文介绍了如何利用脚本，极其便利地将Multiwfn与VMD相结合，只用很少的时间就获得理想的轨道绘制效果，可谓绘制分子轨道最完美的解决方案。如果你没看过《使用Multiwfn观看分子轨道》（http://sobereva.com/269）的话强烈建议一看，以了解其中细节，便于根据需要调整作图效果。
对于非限制性开壳层体系，在Multiwfn中beta轨道序号是排在alpha轨道之后的，因此修改showorb.txt的时候也得对应去设，详见《使用Multiwfn观看分子轨道》里的说明（图省事的话，可以在Multiwfn主功能0的界面里输入比如-30来查看第30号beta轨道对应的Multiwfn中的序号）。
VMD的一个缺点是没有自带的显示原子序号的功能（至少是对目前撰文时最新的1.9.3版而言），不过可以用我写的脚本来显示，见《在VMD中显示原子序号的方法》（http://sobereva.com/197）。虽然显示效果不算很理想，但自己ps一下也没什么难的。
如果想获得更好的效果，强烈建议用Tachyon渲染器渲染，对某些材质显示的效果比直接在VMD图形窗口里看到的会更好，而且有抗锯齿的效果。Tachyon的使用方法在《用Multiwfn+VMD做RDG分析时的一些要点和常见问题》（http://sobereva.com/291）里有详细说明。本文的图就是Tachyon渲染出来的。
默认的等值面的显示材质是Glossy，如果想改成透明的，可以手动在VMD图形界面里改（进入Graphics - Representation，修改Material），推荐用EdgyGlass或Translucent。也可以修改showorb.vmd，把里面的Glossy替换为相应材质名即可。使用EdgyGlass或Translucent材质时，用不用Tachyon渲染器渲染效果相差不少。
轨道的正、负相位的颜色可以自己改。默认情况下红色是正相位，蓝色是负相位，想改的话到VMD的Graphics - Representation界面里改Color ID右边的值即可。也可以自行编辑showorb.vmd，把里面的ColorID后面的值改成你想用的颜色的ID号。
本文的脚本默认用中等质量格点进行计算，总的点数约512000个。对于较大体系，比如100原子以上体系，这样的点数往往就有点偏少了，会导致等值面图可能有棱角。此时建议用高质量格点，做法就是把showorb.txt里第四行的2改为3，当然耗时也会增加。另外，对于观看里德堡轨道（相关信息见《图解电子激发的分类》http://sobereva.com/284），Multiwfn计算格点数据的默认的延展距离不够大，可能造成以比较小的轨道等值面数值显示时轨道等值面被截断，因此应该在showorb.txt的第三行和第四行之间插入
-10
12
这样延展距离就被加大到12 Bohr了，一般足够了。
如果之前用showorb.bat计算了比如20-30号轨道，然后又想考察比如35-40号轨道，就把showorb.txt里的轨道序号改成35-40，运行一遍，这样VMD目录下20-30和35-40轨道的cube文件就都有了，就都可以用orb命令看了。
如果不理解本文用到的批处理文件是如何工作的，看Multiwfn手册5.2节关于silent方式运行Multiwfn的说明。
PS：如果以本文方式绘制了分子轨道，请记得引用Multiwfn程序一启动时就显示的J. Comput. Chem.原文。