中科大MS--如何使用力場方法來計算氣體在材料中的擴散系數(shù)ppt課件

1、氣體在聚合體中分散的丈量目的：引見如何運用力場方法來計算氣體在資料中的分散系數(shù)。模塊：Materials Visualizer, Discover, COMPASS, Amorphous Cell背景 氣體在有機溶劑，聚合體或沸石中的分散率可以經(jīng)過分子動力學(xué)模擬來計算，同時也可以計算氣體在資料中的均方位移。這可以讓他計算氣體的自分散系數(shù)，并進而可以研討全分散系數(shù)。當(dāng)他進展分子動力學(xué)計算的時候，他可以分析溫度，壓力，密度，浸透尺度和構(gòu)造對分散的影響。簡介 在本教程中，他將經(jīng)過構(gòu)建一個包括氧和二甲基硅氧烷PDMS的無定形晶胞中計算氧氣在該聚合物。當(dāng)構(gòu)建了晶胞以后，將進展分子動力學(xué)模擬并計算氧分子的

2、均方位移。雖然本教程中的時間尺度限制了計算，但還是可以用來熟習(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 聚合物來構(gòu)建無定形原胞。 從菜單欄中選擇Build / Build Polymers / Homopolymer 來顯示Homopolymer 對話框。 把庫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 對話框中選取Advanced。選上Random ，點擊Build。封鎖

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

4、藍色，這時左鍵點擊一下變?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 。完成O2分子的構(gòu)建后，點 ，防止產(chǎn)生新的原子。他需求對氧分子命名一下，不然，MS Modeling 就會用默許的名字。在Properties Explorer 中，把Filter 改成Molecule。雙擊Name，輸入oxygen，點擊OK。留意核對 ChemicalFormula中能否顯示O2。 一個閱歷力場計算能量最小化或分子動力學(xué)中破費最大的部分是非鍵參數(shù)確實定庫侖相互作用和范德華力。涉及力場的計算會用各種方法來計算非鍵參數(shù)，隨所研討系統(tǒng)的尺度和類型而變化。不過對范德華力默許的方法是原子級模擬

5、，對庫侖相互作用那么是Ewald加和模擬。 對某些聚合物，可以用一組原子而不是單個原子來逼近非鍵參數(shù)。這種方法叫作charge groups。本教程中他會從頭到尾用到這個方法。這種方法可以在不損害精度的情況下加速計算。 如今聚合體將自動用charge groups 來計算，假設(shè)要顯示的話，點擊Display Style 對話框。 激活Polydimeth_siloxane.xsd 文檔。右鍵點擊3D 原子文檔，選取DisplayStyle。在Display Style 對話框中，把Color by 選項改成Charge Group。 在Charges 對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 來顯示Charges 對話框，選擇Charge Groups條目，點擊Calculate。 在優(yōu)化兩個分子的幾何構(gòu)造之前，必需求讓Discover 知道用charge goups 來進展非鍵計算，而不是用默許選項。在Job Control中選My Computer。如今可以開場優(yōu)化兩個幾何構(gòu)造了。點擊工具條上的Discover 按鈕 ，然后從下拉列表中選擇Minimizer。激活oxygen.xsd。點擊Discover Minimization 對話框中的Minimize 按鈕。如今義務(wù)閱讀器顯示出來了，并

7、且在Project Explorer 中創(chuàng)建了一個新目錄oxygen Disco Min。當(dāng)計算完成時，最小化的構(gòu)造會被存放到這個新目錄下。激活Polydimeth_siloxane.xsd，點擊Minimize 按鈕。計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 對話框。如今有了兩個優(yōu)化的幾何構(gòu)造。 在File中點擊Save Project 。從菜單欄中選擇Windows | Close All。在ProjectExplorer 中翻開最小化的構(gòu)造o

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

9、過，他想建的是包含個氧分子和八聚PDMS的晶胞。在Constituent molecules 部分， 點擊Number cell for oxygen ， 把它改為4 。對Polydimeth_siloxane.xsd 作同樣操作，不過把數(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。 在Amorphous Cell Con

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

11、周期性晶胞。 晶胞的弛豫。 當(dāng)一個無規(guī)那么晶胞生成時，分子能夠不是等價地分布在晶胞中，這樣就呵斥了真空區(qū)。為了矯正這個，要進展能量最小化來優(yōu)化晶胞。最小化過后，要進展分子動力學(xué)模擬來平衡晶胞。 當(dāng)他構(gòu)建無規(guī)那么晶胞時，都要用能量最小化和分子動力學(xué)來進展構(gòu)造弛豫。在能量最小化之前，清空任務(wù)區(qū)。 選擇File | Save Project，接著再從菜單欄中選取Windows | Close All。雙擊 Project Explorer 中的cell.xtd。 當(dāng)一個包含周期性構(gòu)造的3D 原子文檔被翻開時，那些非鍵的設(shè)定會重新變成默許值。文檔cell.xtd 中也有周期性構(gòu)造，因此在翻開之后要把非

12、鍵的設(shè)定從默許值改回來。 從菜單欄中選擇Modules | Discover | Setup 來顯示Discover Setup 對話框，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 對話框。 如今他曾經(jīng)預(yù)備好對整個晶胞進展能量最小化了。由于本教程中時間有限，只能進展2000步的優(yōu)化計算。在實踐計算中，因該把整個優(yōu)化運轉(zhuǎn)完全。 點擊工具條上的Discover 按鈕 ，然后從下拉列表中選擇Minimizer。在Discover Mi

13、nimization對話框中，把Maximum iterations從5000改為2000。點擊Minimize。封鎖Discover Minimization 對話框。 義務(wù)終了后，最終的構(gòu)造保管在文件夾cell Disco Min 中。如今要用分子動力學(xué)模擬繼續(xù)進展弛豫。 從菜單欄中選取Modules | Discover | Dynamics。將會顯示Discover Molecular Dynamics 對話框。 有各種不同的分子動力學(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H=固定焓

14、要平衡一個預(yù)備進展分散計算的晶胞，NPT 系綜是最好的選擇。不過，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 選項改為 Final Structure。點擊Run。 注：在一個實踐的模擬中，他很能夠需求至少50ps 來平衡晶胞。這與系統(tǒng)的大小有關(guān)。系統(tǒng)越大，平衡所需時間越長。對NVT 系綜來說，當(dāng)即時更新的圖表文檔中的能量固定不變時，系統(tǒng)就平衡了。在平衡過程中他也要根據(jù)速度來調(diào)理溫度。如今把任務(wù)區(qū)清空。 在File中點擊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。 分子動力學(xué)的運轉(zhuǎn)和分析分子動力學(xué)的運轉(zhuǎn)和分析 當(dāng)系統(tǒng)平衡以后，他只會對最終構(gòu)造感興趣。不過，要計算要分子在晶胞中的當(dāng)系統(tǒng)平衡以后，他只會對最終構(gòu)造感興趣。不過，要計算要分子在晶胞中的均方位移，他需求很多幀來分析氧原子往哪里挪動。因此如今要再運轉(zhuǎn)另外一個分均方位移，他需求很多幀來分析氧原子往哪里挪動。因此如今要再運轉(zhuǎn)另外一個分子動力學(xué)模擬并生成一個可以用子動力學(xué)模擬并生成一個可以用Discover Analysis 工具來分析的軌跡文檔。工具來分析的軌跡文檔。之前，他運轉(zhuǎn)了一個之前，

16、他運轉(zhuǎn)了一個NVT 系綜，不過最好用系綜，不過最好用NVE 系綜。由于就方法而言，系綜。由于就方法而言，NVE 動動力學(xué)不會被系統(tǒng)的熱力學(xué)過程干擾。在力學(xué)不會被系統(tǒng)的熱力學(xué)過程干擾。在Discover Molecular Dynamics在在Discover Molecular Dynamics 對話框中，把對話框中，把Ensemble 改為改為NVE。運轉(zhuǎn)的步數(shù)也要添加。把運轉(zhuǎn)的步數(shù)也要添加。把Number of steps 改為改為5000。把。把Trajectory Save 選項改選項改為為 Full。把。把Frame output every改為改為250。把把Trajectory

17、Save 選項選成選項選成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 對話框。對話框。計算過程中會更新兩個圖

18、表文檔。一個畫出非鍵能和勢能隨時間的變化，另一個那么是溫度隨時間的變化。由于這是NVE 系綜，能量當(dāng)然是不變的，不過溫度會有漲落，直至收斂到目的溫度。計算完成后，就可以開場分析輸出文件了。激活cell.xtd。點擊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力學(xué)模擬過程。當(dāng)動畫終了后，按Stop 按鈕 。 為了計算氧分子的均方位移，他要把它們同聚合物分子區(qū)分開來。這可以經(jīng)過把它們定義成一組來到達。要選取一切的氧原子，按住ALT 鍵，雙擊其中一個。不過，假設(shè)一個氧原子在聚合體內(nèi)部，他要把它同其它氧原子區(qū)分開來。最簡單的方法是用它們的力場類型來標(biāo)志它

19、們，只選中那些對應(yīng)一種特定力場的氧原子。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氧原子，右鍵點選context menu 中的Label。在Label 對話框中，選擇ForcefieldType 特性并點擊Apply。氧原子被標(biāo)志為o1o。數(shù)字字母無空格從菜單欄中選取Edit | Atom Selection，會顯示Atom Selection 對話框。按OK，封鎖對話框。在3D trajectory document上雙擊左鍵，去除對O2的選中。點擊工具條上的Discover 按鈕 ，然后從下拉列表中選取Analysis。會顯示Discover Analysis

20、 對話框。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Dynamic 條目，選擇Mean squared displacement。他必需指明他要對哪個軌跡文件進展分析。一個合理的軌跡文件可以包括一個或多個軌跡所以他要指明他的軌跡文件。點擊Define按鈕。將會顯示Trajectory Specification (Discover)對話框。用Add to list 按鈕選取當(dāng)前文檔。點擊一下Add to list 按鈕。他也可以把一

21、幀拿去分析，不過在本例中，他要把它們?nèi)糠治?。封鎖Trajectory Specification (Discover)對話框。分析前的最后一步是選定他要進展均方位移計算的組。點擊Discover Analysis 對話框中的可用選項Choose sets箭頭，選擇oxygen。點擊Analyze。封鎖DiscoverAnalysis 對話框。新出現(xiàn)文件夾Discover Analysis 工具經(jīng)過客戶效力器來計算均方位移。將會新建一個文件夾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隨時間變化的曲線。在

22、給定時間的均方位移是對一切一樣長度的時間段和那個組里的一切原子作平均得到的。5.輸出數(shù)據(jù)并計算分散系數(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用。他可以用它來檢驗均方位移的計算能否正確，在此根底上再來計算分散系數(shù)。復(fù)制并粘貼圖表文檔到他的電子表格中。 右鍵點擊plot，并從context menu 中選取Copy。翻開新的電子表格，右鍵點擊它并選擇Paste。在他的電子表格中有八列數(shù)。第一列是時間，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。在本次計算中他只需前面兩列。刪除第3 到8 列。提示：在實踐計算中，他要檢查計算結(jié)果能否可靠。他可以畫出log(MSD)對log(time)的曲線。假設(shè)他的計算收斂了，那么他將得到一條直線。不然，