如何使用力场方法来计算气体在材料中的扩散系数概要PPT课件

1 气体在聚合体中扩散的测量 目的 介绍如何使用力场方法来计算气体在材料中的扩散系数 模块 MaterialsVisualizer Discover COMPASS AmorphousCell 背景气体在有机溶剂 聚合体或沸石中的扩散率可以通过分子动力学模拟来计算 同时也可以计算气体在材料中的均方位移 这可以让你计算气体的自扩散系数 并进而可以研究全扩散系数 当你进行分子动力学计算的时候 你可以分析温度 压力 密度 渗透尺度和结构对扩散的影响 简介在本教程中 你将通过构建一个包括氧和二甲基硅氧烷 PDMS 的无定形晶胞中计算氧气在该聚合物 当构建了晶胞以后 将进行分子动力学模拟并计算氧分子的均方位移 虽然本教程中的时间尺度限制了计算 但还是可以用来熟悉相关的方法 本教程基于Charati和Stern 1998 年发表的一篇研究气体在硅聚合物中扩散的文章 2 建立初始结构第一步是构建并优化氧分子和PDMS聚合物来构建无定形原胞 从菜单栏中选择Build BuildPolymers Homopolymer来显示Homopolymer对话框 把库Library改成硅氧烷siloxanes 把重复单元Repeatunit改成二甲基硅化物dimeth siloxane 3 在Homopolymer对话框中选取Advanced 选上Random 点击Build 关闭Homopolymer对话框 一个名为Polydimeth siloxane xsd的新的3D自动文档会打开 在ProjectExplorer中 右键点击projectroot并选择新的3DAtomisticDocument 右键点击3DAtomistic xsd并选择重命名 把名字改成Oxygen并点击回车 4 现在可以勾画出氧分子 激活oxygen xsd 点击SketchAtom按钮 从下拉菜单中选择oxygen 在3DViewer上左键单击 然后松开左键 移动鼠标以形成一根键 鼠标移到一定距离 键不能再伸长 双击左键 完成构建 把鼠标移到键上面 它会变成浅蓝色 这时左键点击一下变为双键 O2分子完成构建 注意 在这些操作中 鼠标状态为 不能点 完成O2分子的构建后 点 避免产生新的原子 5 你需要对氧分子命名一下 不然 MSModeling就会用默认的名字 在PropertiesExplorer中 把Filter改成Molecule 双击Name 输入oxygen 点击OK 注意核对ChemicalFormula中是否显示O2 6 一个经验力场计算 能量最小化或分子动力学 中花费最大的部分是非键参数的确定 库仑相互作用和范德华力 涉及力场的计算会用各种方法来计算非键参数 随所研究系统的尺度和类型而变化 不过对范德华力默认的方法是原子级模拟 对库仑相互作用则是Ewald加和模拟 对某些聚合物 可以用一组原子而不是单个原子来逼近非键参数 这种方法叫作chargegroups 本教程中你会从头到尾用到这个方法 这种方法可以在不损害精度的情况下加速计算 现在聚合体将自动用chargegroups来计算 如果要显示的话 点击DisplayStyle对话框 激活Polydimeth siloxane xsd文档 右键点击3D原子文档 选取DisplayStyle 在DisplayStyle对话框中 把Colorby选项改成ChargeGroup 7 在Charges对话框中指明氧分子是用chargegroup的 激活oxygen xsd 从菜单栏中选取Modify Charges来显示Charges对话框 选择ChargeGroups条目 点击Calculate 8 在优化两个分子的几何结构之前 必须要让Discover知道用chargegoups来进行非键计算 而不是用默认选项 在JobControl中选MyComputer 9 现在可以开始优化两个几何结构了 点击工具条上的Discover按钮 然后从下拉列表中选择Minimizer 激活oxygen xsd 点击DiscoverMinimization对话框中的Minimize按钮 现在任务浏览器显示出来了 并且在ProjectExplorer中创建了一个新目录oxygenDiscoMin 当计算完成时 最小化的结构会被存放到这个新目录下 10 激活Polydimeth siloxane xsd 点击Minimize按钮 计算结束后最小化的结果被返回到Polydimeth siloxaneDiscoMin Polydimeth siloxane xsd中 关闭DiscoverMinimization对话框 11 现在有了两个优化的几何结构 在File中点击SaveProject 从菜单栏中选择Windows CloseAll 在ProjectExplorer中打开最小化的结构oxygenDiscoMin oxygenandPolydimeth siloxaneDiscoMin Polydimeth siloxane xsd 12 建一个无定形的晶胞当你建好两个结构后 就可以用AmorphousCell模块来把它们往一个晶胞中成倍地复制 在工具栏上选择AmorphousCell按钮 然后从下拉列表中选择Construction 将会显示AmorphousCell对话框 13 第一步是指明组成晶胞的分子 激活oxygen xsd 点击Add按钮 对Polydimeth siloxane xsd重复同样操作 氧分子和PDMS各十个被添加到晶胞中去 不过 你想建的是包含 个氧分子和八聚PDMS的晶胞 14 在Constituentmolecules部分 点击Numbercellforoxygen 把它改为4 对Polydimeth siloxane xsd作同样操作 不过把数值改为8 把Numberofconfigurations从10改为1 把Targetdensityofthefinalconfigurations从1改为0 95 不选上theRefineconfigurationsfollowingconstruct复选框 单击数值 出现方框 可改动 15 在AmorphousCellConstruction对话框中选择Setup条目 在JobControl部分 不选上Automatic并在文本区域输入cell 点击Construct 当AmorphousCell构建了一个结构后 默认是把这个结构与组成分子列表中的第一个分子取相同的名字 本例中 你要把它改成cell 16 在ProjectExplorer中出现了一个新的名为ACConstr的文件夹 当计算结束时 会产生一个包含不规则晶胞的轨迹文档cell xtd 关闭AmorphousCellConstruction对话框 双击cell xtd 这个文档中包含了一个有八聚PDMS和4个氧分子的周期性晶胞 17 晶胞的弛豫 当一个无规则晶胞生成时 分子可能不是等价地分布在晶胞中 这样就造成了真空区 为了矫正这个 要进行能量最小化来优化晶胞 最小化过后 要进行分子动力学模拟来平衡晶胞 当你构建无规则晶胞时 都要用能量最小化和分子动力学来进行结构弛豫 在能量最小化之前 清空工作区 选择File SaveProject 接着再从菜单栏中选取Windows CloseAll 双击ProjectExplorer中的cell xtd 当一个包含周期性结构的3D原子文档被打开时 那些非键的设定会重新变成默认值 文档cell xtd中也有周期性结构 因此在打开之后要把非键的设定从默认值改回来 从菜单栏中选择Modules Discover Setup来显示DiscoverSetup对话框 从中选取Non Bond条目 把Applysettingsto改成vdW Coulomb 把Summationmethod改成GroupBased 18 关闭DiscoverSetup对话框 现在你已经准备好对整个晶胞进行能量最小化了 由于本教程中时间有限 只能进行2000步的优化计算 在实际计算中 因该把整个优化运行完全 点击工具条上的Discover按钮 然后从下拉列表中选择Minimizer 在DiscoverMinimization对话框中 把Maximumiterations从5000改为2000 点击Minimize 关闭DiscoverMinimization对话框 19 任务结束后 最终的结构保存在文件夹cellDiscoMin中 现在要用分子动力学模拟继续进行弛豫 从菜单栏中选取Modules Discover Dynamics 将会显示DiscoverMolecularDynamics对话框 20 21 有各种不同的分子动力学模拟 以系综分类 分别为NVE NVT NPT 和NPH 字母含义如下 N 固定粒子数V 固定体积E 固定能量T 固定温度P 固定压强H 固定焓要平衡一个准备进行扩散计算的晶胞 NPT系综是最好的选择 不过 本教程中采用最快的NVT系综 把Ensemble改为NVT 把温度改为300 把Numberofsteps从5000改为2000 把TrajectorySave选项改为FinalStructure 点击Run 注 在一个实际的模拟中 你很可能需要至少50ps来平衡晶胞 这与系统的大小有关 系统越大 平衡所需时间越长 对NVT系综来说 当即时更新的图表文档中的能量固定不变时 系统就平衡了 在平衡过程中你也要根据速度来调节温度 现在把工作区清空 在File中点击SaveProject 从菜单栏中选取Windows CloseAll 双击cellDiscoDynamics文件夹中的cell xsd 22 分子动力学的运行和分析当系统平衡以后 你只会对最终结构感兴趣 不过 要计算要分子在晶胞中的均方位移 你需要很多帧来分析氧原子往哪里移动 因此现在要再运行另外一个分子动力学模拟并生成一个可以用DiscoverAnalysis工具来分析的轨迹文档 之前 你运行了一个NVT系综 不过最好用NVE系综 因为就方法而言 NVE动力学不会被系统的热力学过程干扰 在DiscoverMolecularDynamics在DiscoverMolecularDynamics对话框中 把Ensemble改为NVE 运行的步数也要增加 把Numberofsteps改为5000 把TrajectorySave选项改为Full 把Frameoutputevery改为250 把TrajectorySave选项选成Full意味着轨迹文件不仅输出坐标 还包含其它信息 如温度 能量 速度和晶格参数 有些动力学分析函数只需要坐标作为输入 但均方位移需要全部的输出信息 关于分析函数需要什么样的轨迹输出可以参阅DiscoverAnalysisdialog帮助主题 按下Run按钮 关闭DiscoverMolecularDynamics对话框 23 24 计算过程中会更新两个图表文档 一个画出非键能和势能随时间的变化 另一个则是温度随时间的变化 因为这是NVE系综 能量当然是不变的 不过温度会有涨落 直至收敛到目标温度 25 计算完成后 就可以开始分析输出文件了 激活cell xtd 点击Animation工具条上的Play按钮 轨迹从1到20帧循环 可以让你观察分子动力学模拟过程 当动画结束后 按Stop按钮 26 27 为了计算氧分子的均方位移 你要把它们同聚合物分子区分开来 这可以通过把它们定义成一组来达到 要选取所有的氧原子 按住ALT键 双击其中一个 不过 如果一个氧原子在聚合体内部 你要把它同其它氧原子区分开来 最简单的方法是用它们的力场类型来标记它们 只选中那些对应一种特定力场的氧原子 先使氧分子与聚合物清楚地区分 28 显示O2的扩散更清楚 29 选中氧分子中的一个氧原子 右键点选contextmenu中的Label 在Label对话框中 选择ForcefieldType特性并点击Apply 氧原子被标记为o1o 30 31 从菜单栏中选取Edit AtomSelection 会显示AtomSelection对话框 32 33 按OK 关闭对话框 在3Dtrajectorydocument上双击左键 去除对O2的选中 34 点击工具条上的Discover按钮 然后从下拉列表中选取Analysis 会显示DiscoverAnalysis对话框 你可以用Discover做很多种分析 它们分成五类 Structural Energetic Fluctuation Dynamic 和Mechanical 均方位移是在Dynamic部分 打开Dynamic条目 选择Meansquareddisplacement 你必须指明你要对哪个轨迹文件进行分析 一个合理的轨迹文件可以包括一个或多个轨迹所以你要指明你的轨迹文件 点击Define 按钮 将会显示TrajectorySpecification Discover 对话框 用Addtolist按钮选取当前文档 点击一下Addtolist按钮 你也可以把一帧拿去分析 不过在本例中 你要把它们全部分析 关闭TrajectorySpecification Discover 对话框 35 分析前的最后一步是选定你要进行均方位移计算的组 点击DiscoverAnalysis对话框中的可用选项Choosesets箭头 选择oxygen 点击Analyze 关闭DiscoverAnalysis对话框 36 新出现文件夹 DiscoverAnalysis工具通过客户服务器来计算均方位移 将会新建一个文件夹cellDiscoMeansquareddisplacement 里面包含了文档cell xcd 其中有氧原子的均方位移 MSD 随时间变化的曲线 在给定时间的均方位移是对所有相同长度的时间段和那个组里的所有原子作平均得到的 37 5 输出数据并计算扩散系数本教程的最后一部分包括一种电子表格或画图软件的使用 你可以用它来检验均方位移的计算是否正确 在此基础上再来计算扩散系数 复制并粘贴图表文档到你的电子表格中 右键点击plot 并从contextmenu中选取Copy 打开新的电子表格 右键点击它并选择Paste 38 在你的电子表格中有八列数 第一列是时间 它每隔一列重复出现一次 另外的列里包含所有均方位移的x y 和z 分量 在本次计算中你只要前面两列 删除第3到8列 39 提示 在实际计算中 你要检查计算结果是否可靠 你可以画出log MSD 对log time 的曲线 如果你的