结构优化

本教程介绍如何使用本地或服务器端计算器弛豫原子位置，并在需要时优化晶胞。

概览

CatGo 支持两种优化模式：

模式	计算器	运行位置	是否需要网络/后端
Local	UFF（Universal Force Field）、VSEPR	浏览器（WASM）	否
Server	EMT、xTB、MACE、CHGNet、M3GNet	Python 后端	是

服务器模式支持多种 优化算法：

优化器	用途	依赖
BFGS	寻找局部能量极小值（默认）	ASE（已包含）
Sella Minimize	带 trust-radius 控制的替代极小化器	Sella
Sella TS Search	寻找过渡态，也就是鞍点	Sella
IRC	从过渡态追踪反应路径	Sella

本地优化（UFF）

UFF 优化器通过 WebAssembly 完全在浏览器中运行，不需要配置服务器。

步骤

1. 加载一个结构
2. 点击工具栏中的 Optimize 按钮
3. 选择 Local (UFF) 作为优化器类型
4. 设置收敛参数：
   • fmax - 力收敛阈值，默认 0.05 eV/A
   • Max steps - 最大优化步数，默认 100
5. 点击 Start

UFF 很快，但只适合粗略几何优化。生产级计算建议使用服务器端机器学习势。

服务器优化（机器学习势）

服务器端优化可以使用更准确的机器学习势。

服务器设置

启动 Python 计算服务器：

cd server
pip install -r requirements.txt
python main.py

服务器运行在 http://localhost:8000。CatGo 会自动检测服务器，连接成功时显示绿色状态指示。

可用计算器

计算器	适用体系	速度	精度
EMT	简单金属（Cu、Ag、Au、Ni、Pd、Pt、Al）	非常快	元素覆盖有限
xTB	分子和有机体系	快	对有机体系较好
MACE	通用材料	中等	高
CHGNet	无机晶体	中等	高
M3GNet	通用材料	中等	较好

xTB 方法

使用 xTB 时，可以选择具体方法：

方法	说明
GFN2-xTB	最准确（默认）
GFN1-xTB	更快，精度略低
GFN0-xTB	最快，精度最低
GFN-FF	力场近似
IPEA1-xTB	为电离势修改过的参数

MACE 模型

使用 MACE 时，可以选择模型尺寸：

模型	说明
small	最快，精度较低
medium	速度和精度平衡（默认）
large	最准确，最慢

也支持用户训练的 MACE 模型路径。

优化步骤

1. 确认服务器正在运行，在 server/ 目录中执行 python main.py
2. 加载结构
3. 点击工具栏中的 Optimize（闪电图标）
4. 选择 Server (ML Potentials)，并选择计算器
5. 选择 Optimizer Method：
   • BFGS - 标准极小化器（默认，用于寻找局部极小值）
   • Sella Minimize - 带 trust-radius 控制的替代极小化器
   • Sella TS Search - 寻找过渡态（鞍点）
   • IRC - 从过渡态追踪反应路径
6. 设置参数：
   • fmax - 力收敛标准，默认 0.05 eV/A
   • Max steps - 最大迭代步数，默认 100
   • Optimize cell - 启用后弛豫晶格参数，仅适用于周期体系
7. 点击 Optimize

实时进度

优化过程中，CatGo 会显示：

• Energy chart - 能量随步数变化的实时 SVG 图
• Step counter - 当前步数 / 最大步数
• Current energy - 当前总能量，单位 eV
• Current fmax - 当前最大力，单位 eV/A
• 3D structure - 原子移动时实时更新的 3D 结构

进度通过 WebSocket 流式传输，因此更新会比较平滑。

选择性动力学（冻结原子）

可以冻结部分原子，使其在优化过程中保持不动：

1. 选择原子，点击或 Shift+点击要冻结的原子
2. 通过上下文菜单或控制面板将其标记为 frozen
3. 冻结原子会显示视觉标记，例如圆环、交叉线或变暗；具体样式可在设置中配置
4. 启动优化，冻结原子会保持固定

常见用途：

• 表面 slab 计算中冻结底层原子
• 缺陷研究中冻结体相区域，只弛豫缺陷附近
• 吸附物优化中冻结基底

片段提取

如果在开始优化前已经选中原子，可以选择：

• Fix unselected atoms - 只在原位优化选中原子，未选中原子固定
• Extract fragment - 把选中原子提取为孤立分子优化，随后合并回原结构

使用 Sella 搜索过渡态

Sella 是与 ASE 集成的鞍点优化器。它可以寻找过渡态并追踪反应路径，这些能力是 BFGS 不能提供的。

安装 Sella

Sella 是可选依赖。请在服务器环境中安装：

pip install setuptools-scm                  # needed on Python 3.13+
pip install --no-build-isolation sella

如果没有安装 Sella，BFGS 优化器仍然始终可用；当你尝试使用 Sella 优化器时，CatGo 会显示清晰错误。

寻找过渡态

1. 从接近期望过渡态的结构开始，例如迁移原子位于路径中点附近
2. 打开优化面板，进入 Server 模式
3. 选择计算器，例如 MACE 或 EMT
4. 将 Optimizer Method 设为 Sella TS Search
5. 点击 Optimize

TS search 会使结构沿能量上坡方向移动，趋向鞍点。收敛后，你会得到过渡态几何；最终能量可用于读取活化能。

TIP

与能量下降的极小化不同，TS search 通常会提高能量，这是正常现象。优化器要寻找的是一个力为零的点，该点沿一个方向（反应坐标）为极大值，而沿其他方向为极小值。

追踪反应路径（IRC）

获得过渡态后，可以用 IRC 追踪最小能量路径：

1. 加载过渡态几何
2. 将 Optimizer Method 设为 IRC
3. 可选设置 Step size (dx)；更小的值会得到更平滑的路径
4. 点击 Optimize

IRC 会从过渡态沿最速下降路径走向最近的极小值，从而给出反应路径。

Sella 参数

• Trust radius（Sella Minimize / TS Search）- 控制最大步长。更小的值更保守但更慢。留空则使用 Sella 默认值。
• Step size dx（IRC）- IRC 步长，单位 Angstrom。更小的值路径更平滑，但需要更多步数。

导出结果

优化完成后：

• Save structure - 将最终优化结构导出为 extXYZ
• Save trajectory - 将完整优化路径（所有步）导出为带能量元数据的多帧 extXYZ

轨迹导出可用于检查收敛情况，也可用于制作能量路径可视化。

取消

随时点击 Cancel 停止优化。结构会回退到最后一个已完成步。

故障排查

检测不到服务器

确认 Python 服务器正在 8000 端口运行。检查终端是否有报错。健康检查端点为 http://localhost:8000/health。

计算器不可用

某些计算器需要额外 Python 包。请检查服务器终端输出中的缺失依赖。

优化不收敛

尝试增加 max_steps、放宽 fmax，或使用不同计算器。对金属体系，EMT 可能比机器学习势收敛更快。

"Element not supported" 错误

每个计算器支持的元素集合不同。EMT 只支持部分金属；xTB 适用于大多数有机元素；MACE 和 CHGNet 覆盖周期表中的大部分元素。

"Sella is not installed" 错误

Sella 是可选依赖。可用下面的命令安装：

pip install setuptools-scm              # Python 3.13+ only
pip install --no-build-isolation sella

TS Search 不收敛

过渡态搜索比极小化更依赖初始构型。尝试从更接近期望 TS 的几何开始，或增加 max_steps。良好的初始猜测对 TS search 非常关键。