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课件

1、气体在聚合体中分散的丈量目的：引见如何运用力场方法来计算气体在资料中的分散系数。模块：Materials Visualizer, Discover, COMPASS, Amorphous Cell背景 气体在有机溶剂，聚合体或沸石中的分散率可以经过分子动力学模拟来计算，同时也可以计算气体在资料中的均方位移。这可以让他计算气体的自分散系数，并进而可以研讨全分散系数。当他进展分子动力学计算的时候，他可以分析温度，压力，密度，浸透尺度和构造对分散的影响。简介 在本教程中，他将经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，将进展分子动力学模拟并计算氧分子的

2、均方位移。虽然本教程中的时间尺度限制了计算，但还是可以用来熟习相关的方法。本教程基于Charati 和Stern(1998)年发表的一篇研讨气体在硅聚合物中分散的文章。 建立初始构造 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 / Build Polymers / Homopolymer 来显示Homopolymer 对话框。 把库Library改成硅氧烷siloxanes，把反复单元Repeat unit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。封锁

3、Homopolymer 对话框。 一个名为Polydimeth_siloxane.xsd 的新的3D 自动文档会翻开。 在Project Explorer 中，右键点击project root 并选择新的3D Atomistic Document。右键点击3D Atomistic.xsd 并选择重命名。把名字改成Oxygen 并点击回车。如今可以勾画出氧分子。激活oxygen.xsd。点击Sketch Atom 按钮，从下拉菜单中选择oxygen。在3D Viewer上左键单击，然后松开左键，挪动鼠标以构成一根键。鼠标移到一定间隔，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

4、蓝色，这时左键点击一下变为双键，O2分子完成构建。留意，在这些操作中，鼠标形状为 。不能点 。完成O2分子的构建后，点 ，防止产生新的原子。他需求对氧分子命名一下，不然，MS Modeling 就会用默许的名字。在Properties Explorer 中，把Filter 改成Molecule。双击Name，输入oxygen，点击OK。留意核对 ChemicalFormula中能否显示O2。 一个阅历力场计算能量最小化或分子动力学中破费最大的部分是非键参数确实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，随所研讨系统的尺度和类型而变化。不过对范德华力默许的方法是原子级模拟

5、，对库仑相互作用那么是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charge groups。本教程中他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。 如今聚合体将自动用charge groups 来计算，假设要显示的话，点击Display Style 对话框。 激活Polydimeth_siloxane.xsd 文档。右键点击3D 原子文档，选取DisplayStyle。在Display Style 对话框中，把Color by 选项改成Charge Group。 在Charges 对话框中指明氧分子是用charge gro

6、up 的。 激活oxygen.xsd。从菜单栏中选取Modify / Charges 来显示Charges 对话框，选择Charge Groups条目，点击Calculate。 在优化两个分子的几何构造之前，必需求让Discover 知道用charge goups 来进展非键计算，而不是用默许选项。在Job Control中选My Computer。如今可以开场优化两个几何构造了。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Discover Minimization 对话框中的Minimize 按钮。如今义务阅读器显示出来了，并

7、且在Project Explorer 中创建了一个新目录oxygen Disco Min。当计算完成时，最小化的构造会被存放到这个新目录下。激活Polydimeth_siloxane.xsd，点击Minimize 按钮。计算终了后最小化的结果被前往到Polydimeth_siloxane Disco Min/Polydimeth_siloxane.xsd 中。封锁Discover Minimization 对话框。如今有了两个优化的几何构造。 在File中点击Save Project 。从菜单栏中选择Windows | Close All。在ProjectExplorer 中翻开最小化的构造o

8、xygen Disco Min/oxygen and Polydimeth_siloxane Disco Min/Polydimeth_siloxane.xsd。 建一个无定形的晶胞当他建好两个构造后，就可以用Amorphous Cell 模块来把它们往一个晶胞中成倍地复制。在工具栏上选择Amorphous Cell 按钮 ，然后从下拉列表中选择Construction。将会显示Amorphous Cell 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 反复同样操作。氧分子和PDMS 各十个被添加到晶胞中去。不

9、过，他想建的是包含个氧分子和八聚PDMS的晶胞。在Constituent molecules 部分， 点击Number cell for oxygen ， 把它改为4 。对Polydimeth_siloxane.xsd 作同样操作，不过把数值改为8。把Number of configurations 从10 改为1，把Target density of the final configurations 从1 改为0.95。不选上the Refine configurations following construct 复选框。单击数值，出现方框，可改动。 在Amorphous Cell Con

10、struction 对话框中选择Setup 条目。在Job Control 部分，不选上Automatic 并在文本区域输入cell，点击Construct。 当Amorphous Cell 构建了一个构造后，默许是把这个构造与组成分子列表中的第一个分子取一样的名字。本例中，他要把它改成cell。 在Project Explorer 中出现了一个新的名为 AC Constr 的文件夹。当计算终了时，会产生一个包含不规那么晶胞的轨迹文档cell.xtd。 封锁Amorphous Cell Construction 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

11、周期性晶胞。 晶胞的弛豫。 当一个无规那么晶胞生成时，分子能够不是等价地分布在晶胞中，这样就呵斥了真空区。为了矫正这个，要进展能量最小化来优化晶胞。最小化过后，要进展分子动力学模拟来平衡晶胞。 当他构建无规那么晶胞时，都要用能量最小化和分子动力学来进展构造弛豫。在能量最小化之前，清空任务区。 选择File | Save Project，接着再从菜单栏中选取Windows | Close All。双击 Project Explorer 中的cell.xtd。 当一个包含周期性构造的3D 原子文档被翻开时，那些非键的设定会重新变成默许值。文档cell.xtd 中也有周期性构造，因此在翻开之后要把非

12、键的设定从默许值改回来。 从菜单栏中选择Modules | Discover | Setup 来显示Discover Setup 对话框，从中选取Non-Bond条目。把Apply settings to 改成 vdW & Coulomb。把Summation method 改成 Group Based。 封锁Discover Setup 对话框。 如今他曾经预备好对整个晶胞进展能量最小化了。由于本教程中时间有限，只能进展2000步的优化计算。在实践计算中，因该把整个优化运转完全。 点击工具条上的Discover 按钮 ，然后从下拉列表中选择Minimizer。在Discover Mi

13、nimization对话框中，把Maximum iterations从5000改为2000。点击Minimize。封锁Discover Minimization 对话框。 义务终了后，最终的构造保管在文件夹cell Disco Min 中。如今要用分子动力学模拟继续进展弛豫。 从菜单栏中选取Modules | Discover | Dynamics。将会显示Discover Molecular Dynamics 对话框。 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

14、要平衡一个预备进展分散计算的晶胞，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Number of steps 从5000 改为2000.把Trajectory Save 选项改为 Final Structure。点击Run。 注：在一个实践的模拟中，他很能够需求至少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。在平衡过程中他也要根据速度来调理温度。如今把任务区清空。 在File中点击Save Project ，从菜单栏中选取

15、Windows | Close All，双击cell Disco Dynamics 文件夹中的cell.xsd。 分子动力学的运转和分析分子动力学的运转和分析 当系统平衡以后，他只会对最终构造感兴趣。不过，要计算要分子在晶胞中的当系统平衡以后，他只会对最终构造感兴趣。不过，要计算要分子在晶胞中的均方位移，他需求很多帧来分析氧原子往哪里挪动。因此如今要再运转另外一个分均方位移，他需求很多帧来分析氧原子往哪里挪动。因此如今要再运转另外一个分子动力学模拟并生成一个可以用子动力学模拟并生成一个可以用Discover Analysis 工具来分析的轨迹文档。工具来分析的轨迹文档。之前，他运转了一个之前，

16、他运转了一个NVT 系综，不过最好用系综，不过最好用NVE 系综。由于就方法而言，系综。由于就方法而言，NVE 动动力学不会被系统的热力学过程干扰。在力学不会被系统的热力学过程干扰。在Discover Molecular Dynamics在在Discover Molecular Dynamics 对话框中，把对话框中，把Ensemble 改为改为NVE。运转的步数也要添加。把运转的步数也要添加。把Number of steps 改为改为5000。把。把Trajectory Save 选项改选项改为为 Full。把。把Frame output every改为改为250。把把Trajectory

17、Save 选项选成选项选成Full 意味着轨迹文件不仅输出坐标，还包含其它信息，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求坐标作为输入，但均如温度，能量，速度和晶格参数。有些动力学分析函数只需求坐标作为输入，但均方位移需求全部的输出信息。关于分析函数需求什么样的轨迹输出可以参阅方位移需求全部的输出信息。关于分析函数需求什么样的轨迹输出可以参阅Discover Analysis dialog 协助主题。协助主题。按下按下Run 按钮。封锁按钮。封锁Discover Molecular Dynamics 对话框。对话框。计算过程中会更新两个图

18、表文档。一个画出非键能和势能随时间的变化，另一个那么是温度随时间的变化。由于这是NVE 系综，能量当然是不变的，不过温度会有涨落，直至收敛到目的温度。计算完成后，就可以开场分析输出文件了。激活cell.xtd。点击Animation 工具条上的Play 按钮 。轨迹从1 到20 帧循环，可以让他察看分子动力学模拟过程。当动画终了后，按Stop 按钮 。 为了计算氧分子的均方位移，他要把它们同聚合物分子区分开来。这可以经过把它们定义成一组来到达。要选取一切的氧原子，按住ALT 键，双击其中一个。不过，假设一个氧原子在聚合体内部，他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志它

19、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域分。显示O2的分散更清楚。选中氧分子中的一个氧原子，右键点选context menu 中的Label。在Label 对话框中，选择ForcefieldType 特性并点击Apply。氧原子被标志为o1o。数字字母无空格从菜单栏中选取Edit | Atom Selection，会显示Atom Selection 对话框。按OK，封锁对话框。在3D trajectory document上双击左键，去除对O2的选中。点击工具条上的Discover 按钮 ，然后从下拉列表中选取Analysis。会显示Discover Analysis

20、 对话框。他可以用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。翻开Dynamic 条目，选择Mean squared displacement。他必需指明他要对哪个轨迹文件进展分析。一个合理的轨迹文件可以包括一个或多个轨迹所以他要指明他的轨迹文件。点击Define按钮。将会显示Trajectory Specification (Discover)对话框。用Add to list 按钮选取当前文档。点击一下Add to list 按钮。他也可以把一

21、帧拿去分析，不过在本例中，他要把它们全部分析。封锁Trajectory Specification (Discover)对话框。分析前的最后一步是选定他要进展均方位移计算的组。点击Discover Analysis 对话框中的可用选项Choose sets箭头，选择oxygen。点击Analyze。封锁DiscoverAnalysis 对话框。新出现文件夹Discover Analysis 工具经过客户效力器来计算均方位移。将会新建一个文件夹cell Disco Mean squared displacement，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

22、给定时间的均方位移是对一切一样长度的时间段和那个组里的一切原子作平均得到的。5.输出数据并计算分散系数 本教程的最后一部分包括一种电子表格或画图软件的运用。他可以用它来检验均方位移的计算能否正确，在此根底上再来计算分散系数。复制并粘贴图表文档到他的电子表格中。 右键点击plot，并从context menu 中选取Copy。翻开新的电子表格，右键点击它并选择Paste。在他的电子表格中有八列数。第一列是时间，它每隔一列反复出现一次。另外的列里包含一切均方位移的x-，y-和z-分量。在本次计算中他只需前面两列。删除第3 到8 列。提示：在实践计算中，他要检查计算结果能否可靠。他可以画出log(MSD)对log(time)的曲线。假设他的计算收敛了，那么他将得到一条直线。不然，