中科大MS--如何使用力場(chǎng)方法來(lái)計(jì)算氣體在材料中的擴(kuò)散系數(shù)ppt課件

1、氣體在聚合體中分散的丈量目的：引見(jiàn)如何運(yùn)用力場(chǎng)方法來(lái)計(jì)算氣體在資料中的分散系數(shù)。模塊：Materials Visualizer, Discover, COMPASS, Amorphous Cell背景 氣體在有機(jī)溶劑，聚合體或沸石中的分散率可以經(jīng)過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬來(lái)計(jì)算，同時(shí)也可以計(jì)算氣體在資料中的均方位移。這可以讓他計(jì)算氣體的自分散系數(shù)，并進(jìn)而可以研討全分散系數(shù)。當(dāng)他進(jìn)展分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算的時(shí)候，他可以分析溫度，壓力，密度，浸透尺度和構(gòu)造對(duì)分散的影響。簡(jiǎn)介 在本教程中，他將經(jīng)過(guò)構(gòu)建一個(gè)包括氧和二甲基硅氧烷PDMS的無(wú)定形晶胞中計(jì)算氧氣在該聚合物。當(dāng)構(gòu)建了晶胞以后，將進(jìn)展分子動(dòng)力學(xué)模擬并計(jì)算氧分子的

2、均方位移。雖然本教程中的時(shí)間尺度限制了計(jì)算，但還是可以用來(lái)熟習(xí)相關(guān)的方法。本教程基于Charati 和Stern(1998)年發(fā)表的一篇研討氣體在硅聚合物中分散的文章。 建立初始構(gòu)造 第一步是構(gòu)建并優(yōu)化氧分子和PDMS 聚合物來(lái)構(gòu)建無(wú)定形原胞。 從菜單欄中選擇Build / Build Polymers / Homopolymer 來(lái)顯示Homopolymer 對(duì)話框。 把庫(kù)Library改成硅氧烷siloxanes，把反復(fù)單元Repeat unit改成二甲基硅化物dimeth_siloxane。 在Homopolymer 對(duì)話框中選取Advanced。選上Random ，點(diǎn)擊Build。封鎖

3、Homopolymer 對(duì)話框。 一個(gè)名為Polydimeth_siloxane.xsd 的新的3D 自動(dòng)文檔會(huì)翻開(kāi)。 在Project Explorer 中，右鍵點(diǎn)擊project root 并選擇新的3D Atomistic Document。右鍵點(diǎn)擊3D Atomistic.xsd 并選擇重命名。把名字改成Oxygen 并點(diǎn)擊回車。如今可以勾畫出氧分子。激活oxygen.xsd。點(diǎn)擊Sketch Atom 按鈕，從下拉菜單中選擇oxygen。在3D Viewer上左鍵單擊，然后松開(kāi)左鍵，挪動(dòng)鼠標(biāo)以構(gòu)成一根鍵。鼠標(biāo)移到一定間隔，鍵不能再伸長(zhǎng)。雙擊左鍵，完成構(gòu)建。把鼠標(biāo)移到鍵上面，它會(huì)變成淺

4、藍(lán)色，這時(shí)左鍵點(diǎn)擊一下變?yōu)殡p鍵，O2分子完成構(gòu)建。留意，在這些操作中，鼠標(biāo)形狀為 。不能點(diǎn) 。完成O2分子的構(gòu)建后，點(diǎn) ，防止產(chǎn)生新的原子。他需求對(duì)氧分子命名一下，不然，MS Modeling 就會(huì)用默許的名字。在Properties Explorer 中，把Filter 改成Molecule。雙擊Name，輸入oxygen，點(diǎn)擊OK。留意核對(duì) ChemicalFormula中能否顯示O2。 一個(gè)閱歷力場(chǎng)計(jì)算能量最小化或分子動(dòng)力學(xué)中破費(fèi)最大的部分是非鍵參數(shù)確實(shí)定庫(kù)侖相互作用和范德華力。涉及力場(chǎng)的計(jì)算會(huì)用各種方法來(lái)計(jì)算非鍵參數(shù)，隨所研討系統(tǒng)的尺度和類型而變化。不過(guò)對(duì)范德華力默許的方法是原子級(jí)模擬

5、，對(duì)庫(kù)侖相互作用那么是Ewald加和模擬。 對(duì)某些聚合物，可以用一組原子而不是單個(gè)原子來(lái)逼近非鍵參數(shù)。這種方法叫作charge groups。本教程中他會(huì)從頭到尾用到這個(gè)方法。這種方法可以在不損害精度的情況下加速計(jì)算。 如今聚合體將自動(dòng)用charge groups 來(lái)計(jì)算，假設(shè)要顯示的話，點(diǎn)擊Display Style 對(duì)話框。 激活Polydimeth_siloxane.xsd 文檔。右鍵點(diǎn)擊3D 原子文檔，選取DisplayStyle。在Display Style 對(duì)話框中，把Color by 選項(xiàng)改成Charge Group。 在Charges 對(duì)話框中指明氧分子是用charge gro

6、up 的。 激活oxygen.xsd。從菜單欄中選取Modify / Charges 來(lái)顯示Charges 對(duì)話框，選擇Charge Groups條目，點(diǎn)擊Calculate。 在優(yōu)化兩個(gè)分子的幾何構(gòu)造之前，必需求讓Discover 知道用charge goups 來(lái)進(jìn)展非鍵計(jì)算，而不是用默許選項(xiàng)。在Job Control中選My Computer。如今可以開(kāi)場(chǎng)優(yōu)化兩個(gè)幾何構(gòu)造了。點(diǎn)擊工具條上的Discover 按鈕 ，然后從下拉列表中選擇Minimizer。激活oxygen.xsd。點(diǎn)擊Discover Minimization 對(duì)話框中的Minimize 按鈕。如今義務(wù)閱讀器顯示出來(lái)了，并

7、且在Project Explorer 中創(chuàng)建了一個(gè)新目錄oxygen Disco Min。當(dāng)計(jì)算完成時(shí)，最小化的構(gòu)造會(huì)被存放到這個(gè)新目錄下。激活Polydimeth_siloxane.xsd，點(diǎn)擊Minimize 按鈕。計(jì)算終了后最小化的結(jié)果被前往到Polydimeth_siloxane Disco Min/Polydimeth_siloxane.xsd 中。封鎖Discover Minimization 對(duì)話框。如今有了兩個(gè)優(yōu)化的幾何構(gòu)造。 在File中點(diǎn)擊Save Project 。從菜單欄中選擇Windows | Close All。在ProjectExplorer 中翻開(kāi)最小化的構(gòu)造o

8、xygen Disco Min/oxygen and Polydimeth_siloxane Disco Min/Polydimeth_siloxane.xsd。 建一個(gè)無(wú)定形的晶胞當(dāng)他建好兩個(gè)構(gòu)造后，就可以用Amorphous Cell 模塊來(lái)把它們往一個(gè)晶胞中成倍地復(fù)制。在工具欄上選擇Amorphous Cell 按鈕 ，然后從下拉列表中選擇Construction。將會(huì)顯示Amorphous Cell 對(duì)話框。第一步是指明組成晶胞的分子。激活oxygen.xsd，點(diǎn)擊Add 按鈕。對(duì)Polydimeth_siloxane.xsd 反復(fù)同樣操作。氧分子和PDMS 各十個(gè)被添加到晶胞中去。不

9、過(guò)，他想建的是包含個(gè)氧分子和八聚PDMS的晶胞。在Constituent molecules 部分， 點(diǎn)擊Number cell for oxygen ， 把它改為4 。對(duì)Polydimeth_siloxane.xsd 作同樣操作，不過(guò)把數(shù)值改為8。把Number of configurations 從10 改為1，把Target density of the final configurations 從1 改為0.95。不選上the Refine configurations following construct 復(fù)選框。單擊數(shù)值，出現(xiàn)方框，可改動(dòng)。 在Amorphous Cell Con

10、struction 對(duì)話框中選擇Setup 條目。在Job Control 部分，不選上Automatic 并在文本區(qū)域輸入cell，點(diǎn)擊Construct。 當(dāng)Amorphous Cell 構(gòu)建了一個(gè)構(gòu)造后，默許是把這個(gè)構(gòu)造與組成分子列表中的第一個(gè)分子取一樣的名字。本例中，他要把它改成cell。 在Project Explorer 中出現(xiàn)了一個(gè)新的名為 AC Constr 的文件夾。當(dāng)計(jì)算終了時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)包含不規(guī)那么晶胞的軌跡文檔cell.xtd。 封鎖Amorphous Cell Construction 對(duì)話框。雙擊cell.xtd。這個(gè)文檔中包含了一個(gè)有八聚PDMS 和4 個(gè)氧分子的

11、周期性晶胞。 晶胞的弛豫。 當(dāng)一個(gè)無(wú)規(guī)那么晶胞生成時(shí)，分子能夠不是等價(jià)地分布在晶胞中，這樣就呵斥了真空區(qū)。為了矯正這個(gè)，要進(jìn)展能量最小化來(lái)優(yōu)化晶胞。最小化過(guò)后，要進(jìn)展分子動(dòng)力學(xué)模擬來(lái)平衡晶胞。 當(dāng)他構(gòu)建無(wú)規(guī)那么晶胞時(shí)，都要用能量最小化和分子動(dòng)力學(xué)來(lái)進(jìn)展構(gòu)造弛豫。在能量最小化之前，清空任務(wù)區(qū)。 選擇File | Save Project，接著再?gòu)牟藛螜谥羞x取Windows | Close All。雙擊 Project Explorer 中的cell.xtd。 當(dāng)一個(gè)包含周期性構(gòu)造的3D 原子文檔被翻開(kāi)時(shí)，那些非鍵的設(shè)定會(huì)重新變成默許值。文檔cell.xtd 中也有周期性構(gòu)造，因此在翻開(kāi)之后要把非

12、鍵的設(shè)定從默許值改回來(lái)。 從菜單欄中選擇Modules | Discover | Setup 來(lái)顯示Discover Setup 對(duì)話框，從中選取Non-Bond條目。把Apply settings to 改成 vdW & Coulomb。把Summation method 改成 Group Based。 封鎖Discover Setup 對(duì)話框。 如今他曾經(jīng)預(yù)備好對(duì)整個(gè)晶胞進(jìn)展能量最小化了。由于本教程中時(shí)間有限，只能進(jìn)展2000步的優(yōu)化計(jì)算。在實(shí)踐計(jì)算中，因該把整個(gè)優(yōu)化運(yùn)轉(zhuǎn)完全。 點(diǎn)擊工具條上的Discover 按鈕 ，然后從下拉列表中選擇Minimizer。在Discover Mi

13、nimization對(duì)話框中，把Maximum iterations從5000改為2000。點(diǎn)擊Minimize。封鎖Discover Minimization 對(duì)話框。 義務(wù)終了后，最終的構(gòu)造保管在文件夾cell Disco Min 中。如今要用分子動(dòng)力學(xué)模擬繼續(xù)進(jìn)展弛豫。 從菜單欄中選取Modules | Discover | Dynamics。將會(huì)顯示Discover Molecular Dynamics 對(duì)話框。 有各種不同的分子動(dòng)力學(xué)模擬，以系綜分類，分別為NVE, NVT, NPT, 和NPH。字母含義如下：N=固定粒子數(shù)V=固定體積E=固定能量T=固定溫度P=固定壓強(qiáng)H=固定焓

14、要平衡一個(gè)預(yù)備進(jìn)展分散計(jì)算的晶胞，NPT 系綜是最好的選擇。不過(guò)，本教程中采用最快的NVT 系綜。 把Ensemble 改為NVT。把溫度改為300。把Number of steps 從5000 改為2000.把Trajectory Save 選項(xiàng)改為 Final Structure。點(diǎn)擊Run。 注：在一個(gè)實(shí)踐的模擬中，他很能夠需求至少50ps 來(lái)平衡晶胞。這與系統(tǒng)的大小有關(guān)。系統(tǒng)越大，平衡所需時(shí)間越長(zhǎng)。對(duì)NVT 系綜來(lái)說(shuō)，當(dāng)即時(shí)更新的圖表文檔中的能量固定不變時(shí)，系統(tǒng)就平衡了。在平衡過(guò)程中他也要根據(jù)速度來(lái)調(diào)理溫度。如今把任務(wù)區(qū)清空。 在File中點(diǎn)擊Save Project ，從菜單欄中選取

15、Windows | Close All，雙擊cell Disco Dynamics 文件夾中的cell.xsd。 分子動(dòng)力學(xué)的運(yùn)轉(zhuǎn)和分析分子動(dòng)力學(xué)的運(yùn)轉(zhuǎn)和分析 當(dāng)系統(tǒng)平衡以后，他只會(huì)對(duì)最終構(gòu)造感興趣。不過(guò)，要計(jì)算要分子在晶胞中的當(dāng)系統(tǒng)平衡以后，他只會(huì)對(duì)最終構(gòu)造感興趣。不過(guò)，要計(jì)算要分子在晶胞中的均方位移，他需求很多幀來(lái)分析氧原子往哪里挪動(dòng)。因此如今要再運(yùn)轉(zhuǎn)另外一個(gè)分均方位移，他需求很多幀來(lái)分析氧原子往哪里挪動(dòng)。因此如今要再運(yùn)轉(zhuǎn)另外一個(gè)分子動(dòng)力學(xué)模擬并生成一個(gè)可以用子動(dòng)力學(xué)模擬并生成一個(gè)可以用Discover Analysis 工具來(lái)分析的軌跡文檔。工具來(lái)分析的軌跡文檔。之前，他運(yùn)轉(zhuǎn)了一個(gè)之前，

16、他運(yùn)轉(zhuǎn)了一個(gè)NVT 系綜，不過(guò)最好用系綜，不過(guò)最好用NVE 系綜。由于就方法而言，系綜。由于就方法而言，NVE 動(dòng)動(dòng)力學(xué)不會(huì)被系統(tǒng)的熱力學(xué)過(guò)程干擾。在力學(xué)不會(huì)被系統(tǒng)的熱力學(xué)過(guò)程干擾。在Discover Molecular Dynamics在在Discover Molecular Dynamics 對(duì)話框中，把對(duì)話框中，把Ensemble 改為改為NVE。運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)也要添加。把運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)也要添加。把Number of steps 改為改為5000。把。把Trajectory Save 選項(xiàng)改選項(xiàng)改為為 Full。把。把Frame output every改為改為250。把把Trajectory

17、Save 選項(xiàng)選成選項(xiàng)選成Full 意味著軌跡文件不僅輸出坐標(biāo)，還包含其它信息，意味著軌跡文件不僅輸出坐標(biāo)，還包含其它信息，如溫度，能量，速度和晶格參數(shù)。有些動(dòng)力學(xué)分析函數(shù)只需求坐標(biāo)作為輸入，但均如溫度，能量，速度和晶格參數(shù)。有些動(dòng)力學(xué)分析函數(shù)只需求坐標(biāo)作為輸入，但均方位移需求全部的輸出信息。關(guān)于分析函數(shù)需求什么樣的軌跡輸出可以參閱方位移需求全部的輸出信息。關(guān)于分析函數(shù)需求什么樣的軌跡輸出可以參閱Discover Analysis dialog 協(xié)助主題。協(xié)助主題。按下按下Run 按鈕。封鎖按鈕。封鎖Discover Molecular Dynamics 對(duì)話框。對(duì)話框。計(jì)算過(guò)程中會(huì)更新兩個(gè)圖

18、表文檔。一個(gè)畫出非鍵能和勢(shì)能隨時(shí)間的變化，另一個(gè)那么是溫度隨時(shí)間的變化。由于這是NVE 系綜，能量當(dāng)然是不變的，不過(guò)溫度會(huì)有漲落，直至收斂到目的溫度。計(jì)算完成后，就可以開(kāi)場(chǎng)分析輸出文件了。激活cell.xtd。點(diǎn)擊Animation 工具條上的Play 按鈕 。軌跡從1 到20 幀循環(huán)，可以讓他察看分子動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程。當(dāng)動(dòng)畫終了后，按Stop 按鈕 。 為了計(jì)算氧分子的均方位移，他要把它們同聚合物分子區(qū)分開(kāi)來(lái)。這可以經(jīng)過(guò)把它們定義成一組來(lái)到達(dá)。要選取一切的氧原子，按住ALT 鍵，雙擊其中一個(gè)。不過(guò)，假設(shè)一個(gè)氧原子在聚合體內(nèi)部，他要把它同其它氧原子區(qū)分開(kāi)來(lái)。最簡(jiǎn)單的方法是用它們的力場(chǎng)類型來(lái)標(biāo)志它

19、們，只選中那些對(duì)應(yīng)一種特定力場(chǎng)的氧原子。先使氧分子與聚合物清楚地域分。顯示O2的分散更清楚。選中氧分子中的一個(gè)氧原子，右鍵點(diǎn)選context menu 中的Label。在Label 對(duì)話框中，選擇ForcefieldType 特性并點(diǎn)擊Apply。氧原子被標(biāo)志為o1o。數(shù)字字母無(wú)空格從菜單欄中選取Edit | Atom Selection，會(huì)顯示Atom Selection 對(duì)話框。按OK，封鎖對(duì)話框。在3D trajectory document上雙擊左鍵，去除對(duì)O2的選中。點(diǎn)擊工具條上的Discover 按鈕 ，然后從下拉列表中選取Analysis。會(huì)顯示Discover Analysis

20、 對(duì)話框。他可以用Discover 做很多種分析。它們分成五類：Structural, Energetic, Fluctuation, Dynamic,和 Mechanical。均方位移是在Dynamic 部分。翻開(kāi)Dynamic 條目，選擇Mean squared displacement。他必需指明他要對(duì)哪個(gè)軌跡文件進(jìn)展分析。一個(gè)合理的軌跡文件可以包括一個(gè)或多個(gè)軌跡所以他要指明他的軌跡文件。點(diǎn)擊Define按鈕。將會(huì)顯示Trajectory Specification (Discover)對(duì)話框。用Add to list 按鈕選取當(dāng)前文檔。點(diǎn)擊一下Add to list 按鈕。他也可以把一

21、幀拿去分析，不過(guò)在本例中，他要把它們?nèi)糠治?。封鎖Trajectory Specification (Discover)對(duì)話框。分析前的最后一步是選定他要進(jìn)展均方位移計(jì)算的組。點(diǎn)擊Discover Analysis 對(duì)話框中的可用選項(xiàng)Choose sets箭頭，選擇oxygen。點(diǎn)擊Analyze。封鎖DiscoverAnalysis 對(duì)話框。新出現(xiàn)文件夾Discover Analysis 工具經(jīng)過(guò)客戶效力器來(lái)計(jì)算均方位移。將會(huì)新建一個(gè)文件夾cell Disco Mean squared displacement，里面包含了文檔cell.xcd，其中有氧原子的均方位移MSD隨時(shí)間變化的曲線。在

22、給定時(shí)間的均方位移是對(duì)一切一樣長(zhǎng)度的時(shí)間段和那個(gè)組里的一切原子作平均得到的。5.輸出數(shù)據(jù)并計(jì)算分散系數(shù) 本教程的最后一部分包括一種電子表格或畫圖軟件的運(yùn)用。他可以用它來(lái)檢驗(yàn)均方位移的計(jì)算能否正確，在此根底上再來(lái)計(jì)算分散系數(shù)。復(fù)制并粘貼圖表文檔到他的電子表格中。 右鍵點(diǎn)擊plot，并從context menu 中選取Copy。翻開(kāi)新的電子表格，右鍵點(diǎn)擊它并選擇Paste。在他的電子表格中有八列數(shù)。第一列是時(shí)間，它每隔一列反復(fù)出現(xiàn)一次。另外的列里包含一切均方位移的x-，y-和z-分量。在本次計(jì)算中他只需前面兩列。刪除第3 到8 列。提示：在實(shí)踐計(jì)算中，他要檢查計(jì)算結(jié)果能否可靠。他可以畫出log(MSD)對(duì)log(time)的曲線。假設(shè)他的計(jì)算收斂了，那么他將得到一條直線。不然，