Morokuma らの開発によるものです。Gaussian 09 を用いて、巨大分子の分子軌道計算が可能になりました。 タンパク質などの生体高分子の電子構造を解析することはきめて困難です。 Morokuma らの開発による，Gaussian 09 に含まれる ONIOM 法は， この問題にチャレンジしています。Gaussian 09 ではいくつかの点で改良がなされ、 高分子に適用できるようになりました． 分子構造中に計算精度が異なる２つ又は３つのレイヤーを定義します。 得られる結果は高精度であると考えられます。 構造最適化についてかなり良いパフォーマンスを得ています． 電子情報の組みこみで、ひとつのレイヤーでのモデル化に、 分子全体の立体及び電子特性を考慮に入れることもできます。

Gaussian 09 ONIOMを使用した巨大系の反応モデリングの機能が充実しています。 ONIOM は、(MO:MM) 計算において、MM 領域の静電特性がQM領域の計算時に取り入れられる「electronic embedding」機能を持っています。 実装された高速で信頼性のある最適化アルゴリズムでは、各モデル系内での原子間カップリングを取り入れ、 特に MM 層では micro-iteration を全体のリアル系の最適化ステップの間に行っています。 Gaussian 09 ONIOM に関しての機能強化は下に示すとおり：

遷移状態の構造最適化
高速なIRC計算
「electronic embedding」を含んだ振動計算
溶媒を考慮した計算
計算速度の向上
カスタマイズ可能の分子力場
正確な解析的勾配と振動数による、パラメーターは全てカスタマイズ可能にした半経験的方法の実装

研究例として、bacteriorhodopsin の励起状態について、 ONIOM(MO:MM) 法を適用しています。ここでは、ふたつのレイヤ−を構築しています。 レイヤ−ごとに、分子軌道、分子力学計算をとりこんでいます。 ひとつのレイヤーでは，活性部位を分子軌道法を用いて取り扱い， もうひとつのレイヤ−は分子力学法でモデル化されています． 活性部位の量子力学的計算でのタンパク質環境の静電情報の解析は， 紫外および可視スペクトルの予測に必要です。

この方法は，酵素反応，有機系の反応機構，表面反応でのクラスターモデル， 光化学プロセス，置換基効果などの反応性、 均一触媒といった多くの他の分野での応用が期待されます。

ONIOM 解析では、タンパクの構造データ PDB を入力し、AMBER力場を用います。 分子動力学計算プログラム AMBER の知識も必要になります。 タンパク化学は、量子化学とは違う学問体系から来ている知識です。 ONIOM は、抗体医薬などの高分子間の分子認識を扱う解析に使う方向で期待されています。

Periodic Boundary Condition (PBC) は、周期境界条件と訳されます。分子動力学計算でも利用されます。

Gaussian 09 では，周期境界条件法 (PBC) によって、 系をユニットセルの繰り返しでモデル化することで、 ポリマーや結晶といった周期系をモデル化できるため， 材料設計への広範囲の応用が期待されています。

ポリマーの平衡構造や遷移状態や、 ポリマーの異性化エネルギーや反応エネルギー等を予測することができます。 材料の分解，劣化、酸化などの分野の応用から、 化合物のバンド・ギャップもモデル化できます．

二次元 PBC 法は，表面反応や触媒といった表面化学のモデル化と、 表面モデルやクラスターのモデル化を扱うことができます。 HF や DFT 法で計算を行うことが可能です。 三次元の PBCでは、結晶などの3次元周期系モデルの、 構造やバルク特性を予測することができます．

Natural Bond Orbital (NBO) 解析は、Frank Weinhold らにより、開発されたものですが、分子内および分子間の電荷移動を 解析できます。したがって、分子の共役や超共役の研究に利用されています。 Gaussian 09 にオプションで NBO ver. 5.9 がインプリメントできます。古いバージョン NBO ver. 3 は実装されています。 NMR スペクトル解析は、NBO ver. 5.9 に含まれます。Gaussian 09 をソースコードライセンスで契約することが必要です。 Windows/Unix 版があります。機能は少し異なります。Unix 版は完全な機能があります。

日本では、あまり利用されていませんが、 今後は盛んに利用されるものと思います。

Gaussian 09 以外の ab initio 量子化学計算プログラムにも、 溶媒効果のモジュ−ルはついています。 一般的には、気相の中に分子が孤立して存在している状態で、 電子状態を計算しているわけで、実際の条件とは違います。

ご存知のように、気相と溶液中の分子特性や化学反応は，かなり変わります． 例えば，気相と溶液中（もしくは異なる溶媒中においても）では， 安定状態の配座や平衡も異なります。また、反応は異なる経路を取り得ます．

溶液中での系のモデル化に関して、Polarizable Continuum Model (PCM)　が広く使われています。 この方法では，溶媒を分極連続体として記述し，溶媒内の空洞、キャビティ、に溶質を置きます．

Gaussian 09 の溶媒和計算は大幅に強化されました。励起状態系での計算機能に加え、 キーワード SCRF に新しい機能が実装されています。形式的連続平面電荷により、反応場の連続性、平滑性および堅牢性を保証して解析します。 原子の位置と外部摂動場に関する微分の連続性も保証されます。このために、気相中計算と変わらないステップ数で収束するようになり、 溶媒中での高速でより信頼性の高い構造最適化と正確な振動数計算が可能になりました。

以下に代表されるような広範囲の問題に適用できます．

* 励起エネルギーや励起状態に関連する特性が計算可能です．
* NMR スペクトルと他の磁気的特性
* 振動数，赤外・ラマンスペクトル，エネルギーの解析的2次微分の計算によって求まる特性
* 分極率

例として、p-ニトロアニリンが引き合いに出されます。気相と溶媒中における電子状態を計算して、その差を計算から、 溶媒効果を算出しようとするものです。 基底状態から励起するときに、電荷移動が気相中よりも溶媒中の方が大きいことを示しています．