materials studio 模拟扩散系数有几种方法
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发布时间：2022-04-23 13:48
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时间：2023-10-16 13:33
Materials Studio 案例 2： ： 水分子在 1atm，298K 下的径向分布和扩散系数计算 目的：用 Materials Studio（MS）软件模拟计算 1atm ，25℃下，500 个水分子无定形体系的 目的 径向分布函数和扩散系数。 模块：Amorphous cell, Discover 模块 简介：径向分布函数 g(r)：以流体系统中一个分子为目标分子，与其中心距离由 r → dr 间 简介 的分子数目为 dN ，则 g ( r ) = dN 可理解为区域密度与平均密度的比。 ρ 4π r 2 dr 分子扩散系数：在一个不流动的环境中，若某组分在空间各位置点上的浓度不同，则 此组分的分子便可能从浓度高的地方传递到浓度低的地方。 这是靠分子扩散的方式传 递的。单位面积和传递速率与浓度梯度（即两点的浓度差除以这两点间的距离）成正 比。这比例常数称为分子扩散系数。 1.建立初始结构 (1)建造一个的水分子 运行 MS，新建一个 Project 命名为 water molecular。打开一个新的 xsd 文档命名为 H2O.xsd。在工具栏选择 Sketch Atom 工具绘制一个水分子，如下图所示。然后点击 Clean 工具修正得到合理的几何构象。 (2)建造多分子水的无定型体系 选择菜单栏 Moles 上的 Amorphous Cell，在下拉列表中选择 Construction，打开 Amorphous Cell Construction 对话框。 点击 Add 按钮将水分子添加到体系中， 单击 Constituent molecules 栏中 Number 下的数字，设为 500。相应的，温度 298K；Number of configurations 填 1；Cell type 选 Periodic cell(设置体系含有周期性边界条件)；水密度 0.997g/cc。在 Setup 选项卡中，选用 Compass 力场；Job description 可设置任务名称。 1 点击 Construct 开始构建，在 Project explorer 中出现了一个新的名为 Sketch 1 AC Constr 的文件夹。计算结束后产生一个包含 500 个水分子无定形体系的轨迹文档 Sketch 1.xtd，如 下图。 1.动力学模拟 (1)优化体系 构建好的水分子无定形体系需要用 Discover 模块中的 Minimizer 对其进行优化，打开 Discover Minimizer 对话框相关设置如下图，然后点击 Minimize 按钮开始优化。 2 优化结束后，会在 Project Explorer 中创建了一个新目录 Sketch 1 Disco Min，当任务完 成时，最小化的结构会被存放到这个新目录下。 (2)动力学模拟 用 Discover 模块中的 Dynamics 对体系进行平衡计算， 打开 Discover Molecular Dynamics 对话框，下图所示。Ensemble(系综)下拉列表选择 NPT，Temperature 为 298K，温度控制方 法选择为 Nose，压力为 0.0001Gpa，压力控制方法为 Berendsen，步数设为 10000，时间步 长为 1fs，Save 下拉列表中选择 Full，Frame output every 处设为 200steps(每 200 步输出一次 体系构型文件)。点击 Run 开始运行，运行结束后会自动产生一个 Sketch 1 Disco Dynamics 文件夹，里面包含 Sketch 1.xtd 文档。 3 1.进行水分子径向分布函数及扩散系数分析 激活 Sketch 1 Disco Dynamics 文件夹里面的 Sketch 1.xtd 文档，按住 Alt 键双击其中一 个 H 原子即选中所有水分子中的 H，在菜单栏 Edit 下拉菜单中选 Edit Sets，打开 Edit Sets 对话框，按 New 按钮将所有 H 原子命名为 H；用同样的方法将体系中的 O 原子命名为 O； 按 Ctrl+A 选中所有水分子命名为 H2O。设置完成后，就可以对水分子进行分析了。 (1)径向分布函数 在工具栏 Discover 下拉列表选择 Analysis，打开 Discover Analysis 对话框。在窗口菜单 中选中 Structural 目录下的 Pair correlation function（径向分布函数） ，点击按钮 Define，打开 Trajectory Specification(Discover)对话框，点击 Add to list，添加命名后的水分子轨迹文件， 关闭对话框。回到 Discover Analysis，在 Choose sets 中在第一个下拉框选择 H，第二个下拉 框选择 O，如下图所示。设置完成后，点击 Analyze 按钮开始进行分析。 运行结束后会自动产生一个 Sketch 1 Disco Pair correlation function 文件夹，激活该目录 下的 Sketch 1.xcd 文档。 可以看到图中有九条 g(r)曲线， 其中 aa、 bb 分别表示 H-H、 ab、 H-O、 O-O；total、intra、inter 分别表示分子内和分子间总的 g(r)、分子内 g(r)、分子间 g(r)。右击 图像，在快捷菜单中选择 Delete Graphs，选中所有 total 和 intra 项，点击 Delete。剩下的就 是分子间 H-H、H-O、O-O 的径向分布函数，如下图。 4 上图给出了水分子中各原子对径向分布函数。 O-O 径向分布函数在 0. 275 nm 处出现最 高峰值,表示由于氢键相互作用下中心水分子与最近邻水分子间氧氧距离； O-H 径向分布函 数在 0. 175 nm 和 0. 325 nm 处均出现峰值,这分别是有氢键作用和无氢键作用的 O-H 距 离；H-H 径向分布函数在 0. 245 nm 和 0.465nm 处出现峰值。 0.275；0.175，0.325；0.245，0.475 0.265；0.175，0.325；0.235，0.475 (2)扩散系数 因为 MS 软件中无法直接对轨迹文件求出体系的扩散系数， 但是可以通过分析均方位移 (MSD)来间接求出体系的扩散系数：即均方位移曲线斜率的六分之一就是体系的扩散系数。 在刚才的 Discover Analysis 对话框中， 选择 Dynamic 目录下的 Mean squared displacement (均方位移)，点击 Define，再点击按钮 Add to list，添加命名后的水分子轨迹文件，关闭该 对话框。 回到 Discover Analysis， Choose sets 中选中 H2O， 在 如下图所示。 然后点击 Analyze 开始分析。 5 运行结束后会自动产生一个 Sketch 1 Disco Mean squared displacement 文件夹， 激活里面 包含 Sketch 1.xcd 文档。右击图形，选择 Delete Graphs，可将 X，Y，Z 方向的 MSD 图像删 除，留下我们需要的图像，如下图。 最后在图像上右击 Copy，复制图像中的数据，粘贴到 Excel 或者 Origin 软件中进行处 理，得到拟合公式：y = 2.0655x + 0.786 R2 = 0.9969 故水的扩散系数为：D=2.0655/6=0.34425 cm2 s-1 2.2644/6=0.3774 6
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时间：2023-10-16 13:33
Materials Studio 案例 2： ： 水分子在 1atm，298K 下的径向分布和扩散系数计算 目的：用 Materials Studio（MS）软件模拟计算 1atm ，25℃下，500 个水分子无定形体系的 目的 径向分布函数和扩散系数。 模块：Amorphous cell, Discover 模块 简介：径向分布函数 g(r)：以流体系统中一个分子为目标分子，与其中心距离由 r → dr 间 简介 的分子数目为 dN ，则 g ( r ) = dN 可理解为区域密度与平均密度的比。 ρ 4π r 2 dr 分子扩散系数：在一个不流动的环境中，若某组分在空间各位置点上的浓度不同，则 此组分的分子便可能从浓度高的地方传递到浓度低的地方。 这是靠分子扩散的方式传 递的。单位面积和传递速率与浓度梯度（即两点的浓度差除以这两点间的距离）成正 比。这比例常数称为分子扩散系数。 1.建立初始结构 (1)建造一个的水分子 运行 MS，新建一个 Project 命名为 water molecular。打开一个新的 xsd 文档命名为 H2O.xsd。在工具栏选择 Sketch Atom 工具绘制一个水分子，如下图所示。然后点击 Clean 工具修正得到合理的几何构象。 (2)建造多分子水的无定型体系 选择菜单栏 Moles 上的 Amorphous Cell，在下拉列表中选择 Construction，打开 Amorphous Cell Construction 对话框。 点击 Add 按钮将水分子添加到体系中， 单击 Constituent molecules 栏中 Number 下的数字，设为 500。相应的，温度 298K；Number of configurations 填 1；Cell type 选 Periodic cell(设置体系含有周期性边界条件)；水密度 0.997g/cc。在 Setup 选项卡中，选用 Compass 力场；Job description 可设置任务名称。 1 点击 Construct 开始构建，在 Project explorer 中出现了一个新的名为 Sketch 1 AC Constr 的文件夹。计算结束后产生一个包含 500 个水分子无定形体系的轨迹文档 Sketch 1.xtd，如 下图。 1.动力学模拟 (1)优化体系 构建好的水分子无定形体系需要用 Discover 模块中的 Minimizer 对其进行优化，打开 Discover Minimizer 对话框相关设置如下图，然后点击 Minimize 按钮开始优化。 2 优化结束后，会在 Project Explorer 中创建了一个新目录 Sketch 1 Disco Min，当任务完 成时，最小化的结构会被存放到这个新目录下。 (2)动力学模拟 用 Discover 模块中的 Dynamics 对体系进行平衡计算， 打开 Discover Molecular Dynamics 对话框，下图所示。Ensemble(系综)下拉列表选择 NPT，Temperature 为 298K，温度控制方 法选择为 Nose，压力为 0.0001Gpa，压力控制方法为 Berendsen，步数设为 10000，时间步 长为 1fs，Save 下拉列表中选择 Full，Frame output every 处设为 200steps(每 200 步输出一次 体系构型文件)。点击 Run 开始运行，运行结束后会自动产生一个 Sketch 1 Disco Dynamics 文件夹，里面包含 Sketch 1.xtd 文档。 3 1.进行水分子径向分布函数及扩散系数分析 激活 Sketch 1 Disco Dynamics 文件夹里面的 Sketch 1.xtd 文档，按住 Alt 键双击其中一 个 H 原子即选中所有水分子中的 H，在菜单栏 Edit 下拉菜单中选 Edit Sets，打开 Edit Sets 对话框，按 New 按钮将所有 H 原子命名为 H；用同样的方法将体系中的 O 原子命名为 O； 按 Ctrl+A 选中所有水分子命名为 H2O。设置完成后，就可以对水分子进行分析了。 (1)径向分布函数 在工具栏 Discover 下拉列表选择 Analysis，打开 Discover Analysis 对话框。在窗口菜单 中选中 Structural 目录下的 Pair correlation function（径向分布函数） ，点击按钮 Define，打开 Trajectory Specification(Discover)对话框，点击 Add to list，添加命名后的水分子轨迹文件， 关闭对话框。回到 Discover Analysis，在 Choose sets 中在第一个下拉框选择 H，第二个下拉 框选择 O，如下图所示。设置完成后，点击 Analyze 按钮开始进行分析。 运行结束后会自动产生一个 Sketch 1 Disco Pair correlation function 文件夹，激活该目录 下的 Sketch 1.xcd 文档。 可以看到图中有九条 g(r)曲线， 其中 aa、 bb 分别表示 H-H、 ab、 H-O、 O-O；total、intra、inter 分别表示分子内和分子间总的 g(r)、分子内 g(r)、分子间 g(r)。右击 图像，在快捷菜单中选择 Delete Graphs，选中所有 total 和 intra 项，点击 Delete。剩下的就 是分子间 H-H、H-O、O-O 的径向分布函数，如下图。 4 上图给出了水分子中各原子对径向分布函数。 O-O 径向分布函数在 0. 275 nm 处出现最 高峰值,表示由于氢键相互作用下中心水分子与最近邻水分子间氧氧距离； O-H 径向分布函 数在 0. 175 nm 和 0. 325 nm 处均出现峰值,这分别是有氢键作用和无氢键作用的 O-H 距 离；H-H 径向分布函数在 0. 245 nm 和 0.465nm 处出现峰值。 0.275；0.175，0.325；0.245，0.475 0.265；0.175，0.325；0.235，0.475 (2)扩散系数 因为 MS 软件中无法直接对轨迹文件求出体系的扩散系数， 但是可以通过分析均方位移 (MSD)来间接求出体系的扩散系数：即均方位移曲线斜率的六分之一就是体系的扩散系数。 在刚才的 Discover Analysis 对话框中， 选择 Dynamic 目录下的 Mean squared displacement (均方位移)，点击 Define，再点击按钮 Add to list，添加命名后的水分子轨迹文件，关闭该 对话框。 回到 Discover Analysis， Choose sets 中选中 H2O， 在 如下图所示。 然后点击 Analyze 开始分析。 5 运行结束后会自动产生一个 Sketch 1 Disco Mean squared displacement 文件夹， 激活里面 包含 Sketch 1.xcd 文档。右击图形，选择 Delete Graphs，可将 X，Y，Z 方向的 MSD 图像删 除，留下我们需要的图像，如下图。 最后在图像上右击 Copy，复制图像中的数据，粘贴到 Excel 或者 Origin 软件中进行处 理，得到拟合公式：y = 2.0655x + 0.786 R2 = 0.9969 故水的扩散系数为：D=2.0655/6=0.34425 cm2 s-1 2.2644/6=0.3774 6
