研究に便利なフリーソフトの紹介

お金はないけど第一原理計算をしてみたい、熱力学計算をしてみたい。そんな要望が誰にでもあると思います。

そこで本記事では私が知っている便利なフリーソフトについて紹介したいと思います。新しいものを発見次第追加していこうと考えていますので、読者の方からも情報お待ちしております。

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熱力学編

ある物質が安定に存在するかどうかやある反応が進むかどうかは、対象物質の熱力学関数（ギブズの自由エネルギーやヘルムホルツの自由エネルギー）がわかっていれば熱力学計算によって知ることができます。しかし、物質の熱力学関数は比熱測定などによって実験的に測定されるため、我々のように断熱型熱量計などの高度な機材を持たない人は測定できません。

でも大丈夫！これらの重要な熱力学関数は様々な研究機関がデータベースとしてまとめており、一般に公開されているものもあります。また、これらのデータベースをつかい、様々な熱力学計算をしてくれるソフトウェアも有料・無料の様々なものが販売・公開されております。今回はそのうち無料で利用できるものを紹介したいと思います。

・PHREEQC

フリークシーと読みます。水溶液系に強い熱力学計算ソフトです。デフォルトである程度データベースがそろっているのでインストールしてすぐに使えます。PHREEQCはコマンドラインから実行するソフトなのでGUIに慣れたWindowsユーザーは少しとっつきにくいかもしれません。

https://wwwbrr.cr.usgs.gov/projects/GWC_coupled/phreeqc/

また、PHREEQCにはE-pH図（pourbaix図）や化学ポテンシャル図などを作図する機能がありません。そこで、これらの機能を補うためのソフトウェアが公開されています。その名もPhreePlot、PHREEQCと共にインストールして使用します。なお、PhreePlotで計算した結果を表示するためにはGhostscriptとGSviewという別のソフトが必要になるのでこれらもインストールしましょう。

http://www.phreeplot.org/

追記：解説記事を書きました

phreeplotの使い方 - 徒然なる科学日記

・FactSage

FactSageは有料のソフトなのですが、機能を限定したWeb版が公開されています。FactSageのページの右側のメニューにFACT WEBという項目があります。これをクリックするとオンラインでFactSageの機能の一部が使えます。簡単なことしかできないので高度な計算を行いたい人はFactSageを購入しましょう。（たぶんとても高い…）

http://www.factsage.com/

・NASA CEA

気相反応に強い熱力学計算ソフトです。アメリカ航空宇宙局がロケットの推進剤の研究を行うために開発されたソフトウェアで現在では無料で公開されています。

https://www.grc.nasa.gov/www/CEAWeb/

第一原理計算編

第一原理計算とは物理法則の第一原理、すなわち量子力学の基礎方程式から物質の様々な性質を数値計算することです。バンドの分散図（E-k図）や状態密度（DOS）などの計算でお馴染みです。2018年現在では第一原理計算といえばDensity Functional Theory (DFT)のことを指すことが多いです。DFTでは多電子系のSchrödinger方程式を解く困難を避けて、電子密度から波動関数を計算するという手法をとっています。

VASPやCASTEP、Gaussianといった有料のソフトウェアが有名ですし、機能も充実していますがフリーのソフトウェアも存在します。

※第一原理計算ソフトウェアは無料でもスーパーコンピューターは無料というわけにはいかないので大規模な計算はそもそもできないかも…