《如何使用力场方法来计算气体在材料中的扩散系数概要课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《如何使用力场方法来计算气体在材料中的扩散系数概要课件（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
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：Materials Visualizer, Discover, COMPASS, Amorphous Cell,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
2、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 / Build Polymers / Homopolymer 来显示Homopolymer 对话框。,把库Library改成硅氧烷siloxanes，把重复单元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B
3、uild。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。,现在可以勾画出氧分子。 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，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
4、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，MS Modeling 就会用默认的名字。 在Properties Explorer 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
5、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charge groups。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charge groups 来计算，如果要显示的话，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Display Style。在Display Style 对话框中，把Color by 选项改成Charge Group。,在Charges
6、对话框中指明氧分子是用charge group 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结构之前，必须要让Discover 知道用charge goups 来进行非键计算，而不是用默认选项。在Job Control中选My Computer。,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Discover Minimization 对话框中的Mi
7、nimize 按钮。,现在任务浏览器显示出来了，并且在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_siloxane Disco Min/Polydimeth_siloxane.xsd 中。 关闭Discover Minimization 对话框。,现在有了两个优化的几何结构。,在File中点击Save Project 。从菜单栏中选择Windows | Close Al
8、l。在Project Explorer 中打开最小化的结构oxygen Disco Min/oxygen and Polydimeth_siloxane Disco Min/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_siloxa
9、ne.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 constru
10、ct 复选框。,单击数值，出现方框，可改动。,在Amorphous Cell Construction 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Project Explorer 中出现了一个新的名为 AC Constr 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Amorphous Cell Construction
11、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 | Save Project，接着再从菜单栏中选取Windows | Close All。双击 Project Explorer 中的cell.xtd。 当一个包含周期性结构的3D 原子文档被打开时，那些非键的
12、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。,关闭Discover Setup 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
13、 按钮 ，然后从下拉列表中选择Minimizer。在Discover Minimization对话框中，把Maximum iterations从5000改为2000。点击Minimize。关闭Discover Minimization 对话框。,任务结束后，最终的结构保存在文件夹cell Disco Min 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
14、： 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
15、调节温度。 现在把工作区清空。 在File中点击Save Project ，从菜单栏中选取Windows | Close All，双击cell Disco Dynamics 文件夹中的cell.xsd。, 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Discover Analysis 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Discover Mole
16、cular Dynamics 在Discover Molecular Dynamics 对话框中，把Ensemble 改为NVE。 运行的步数也要增加。把Number of steps 改为5000。把Trajectory Save 选项改为 Full。把Frame output every改为250。 把Trajectory Save 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Discover Analysis dialog 帮助主题。 按下Run 按钮。关闭Discover Molecular Dynamics 对话框。,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。,计算完成后，就可
