中科大MS--如何使用力场方法来计算气体在材料中的扩散系数.ppt

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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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vdWHofmannetal.,2000)。你的计算结果很可能和这个有很大差别，因为你取的聚合体太短，晶格尺度太小，运算时间太短以至于Einstein扩散没有时间发生。参考文献Charati,S.G.;Stern,S.A.DiffusionofGasesinSiliconePolymers:MolecularDynamicsSimulations,Macromolecules,31,5529-5538(1998).Hofmann,D.;Fritz,L