《計算機在材料科學與工程中的應用-分子動力學.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《計算機在材料科學與工程中的應用-分子動力學.ppt（69頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

計算機在材料科學與工程中的應用 ——計算材料學(分子動力學) 郝 艷 Tel: 13909014675 Email: 23081922@,分子動力學,1. 介紹分子動力學的基本原理及步驟 2. 分子動力學在Materials Studio（MS）中的實現(xiàn) 重點講解Discover、Forcite的應用實例,原則上, 第一原理方法在理論上已經(jīng)能解決所有問題，但計算量太大，計算機資源有限，原子數(shù)目較多時，如高分子、蛋白質、原子簇以及研究表面問題、功能材料或材料的力學性能等，實際上難以完成計算。 為此，發(fā)展了分子力學(Molecular Mechanics, MM)與分子動力學(Molecular Dynamics, MD)方法，MM與MD是經(jīng)典力學方法，針對的最小結構單元不再是電子而是原子。因原子的質量比電子大很多，量子效應不明顯，可近似用經(jīng)典力學方法處理。,20 世紀 30 年代, Andrews 最早提出分子力學的基本思想；40 年代以后得到發(fā)展, 并用于有機小分子研究。90年代以來,隨著計算機技術和計算算法的發(fā)展而得到迅猛發(fā)展和廣泛應用。 在材料科學, 用于材料的優(yōu)化設計、結構與力學性能、熱加工性能預報、界面相互作用、納米材料結構與性能研究等； 在化學領域，用于表面催化與催化機理、溶劑效應、原子簇的結構與性質研究等； 在生物科學和藥物設計領域的應用也十分普及，如蛋白質的多級結構與性質，病毒、藥物作用機理、特效藥物的大通量篩選與快速開發(fā)等。,MM和MD的應用，通常稱作分子模擬(molecular simulation, molecular modeling) 或 分子設計(molecular design)。 MM是確定分子結構的方法，是分子的靜態(tài)勢函數(shù)，利用分子勢能隨結構的變化而變化的性質，確定分子勢能極小時的平衡結構(stationary point)； 而實際過程通常是在一定溫度和一定壓力下發(fā)生的，為了更切實際地了解體系運動和演化的過程，必須考慮體系中原子的運動，并與溫度T和時間t建立聯(lián)系； MD含溫度與時間, 還可得到如材料的玻璃化轉變溫度、熱容、晶體結晶過程、輸送過程、膨脹過程、動態(tài)弛豫(relax)以及體系在外場作用下的變化過程等。,分子動力學模擬應用實例,晶體結構確定及性能預測——飽和脂肪酸大分子晶體結構確定及性質預測 （西班牙巴賽羅那大學）,晶體中的分子以強烈的氫鍵形成二聚體而整齊排布,分子模擬方法與粉末衍射實驗分析方法結合分析復雜分子的晶體結構行之有效,分子動力學模擬應用實例,晶體形貌研究——吸附劑分子對Al2O3晶體各個面生長速率的影響 （加拿大Alberta大學）,吸附能的排列次序與實驗觀察到的各個面的生長速率倒數(shù)成正比,兩個具有最低吸附能的晶面在晶體生長過程中其主導作用，并最終決定晶體的宏觀形貌,分子模擬方法可實現(xiàn)晶體生長形貌預測及控制,什么是分子動力學,經(jīng)典分子動力學將原子視為經(jīng)典粒子，通過求解各粒子的運動方程得到不同時刻粒子的空間位置、運動狀態(tài)，從而統(tǒng)計出材料的宏觀行為特性。,MD是用計算機方法來表示統(tǒng)計力學，用來研究不能用解析方法來解決的復合體系的平衡和力學性質，是理論與實驗的橋梁。,分子動力學的基本思想,經(jīng)典力學定律 分子動力學中處理的體系的粒子遵從牛頓方程，即 式中 是粒子所受的力， 為粒子的質量， 是原子i的加速度，原子i所受的力 可以直接用勢能函數(shù)對坐標 的一階導數(shù)，即 ，其中U為勢能函數(shù)（簡稱勢函數(shù)或力場），因此對N個粒子體系的每個粒子有,,求解這組方程要通過數(shù)值方法，即給出體系中每個粒子的初始坐標和速度，從而產(chǎn)生一系列的位置與速度，即為任意時刻的坐標和速度。,分子動力學方法工作框圖,,勢函數(shù) 或力場,軌跡: 分子動力學整個過程中的坐標和速度稱為軌跡。,經(jīng)典分子動力學的適用范圍,分子動力學方法只考慮多體系統(tǒng)中原子核的運動，而電子的運動不予考慮，量子效應忽略。,,, 1,300K時，KBT=2.5J/mol 臨界頻率 = 6.251012 S-1,因此，經(jīng)典分子動力學不適用： 相對的高頻率的運動；涉及電荷重新分布的化學反應、鍵的形成與斷裂、解離、極化以及金屬離子的化學鍵等等。,,分子動力學模擬實施步驟,分子動力學運行流程圖,,,時間步長,——參考原子或分子特征運動頻率來選取,在應用軟件的實際操作中，需要設置的參數(shù)還很多，包括溫度、壓力、力場、算法等等。,第一性原理分子動力學 用分子動力學方法討論材料的結構、相變及力學性質，已經(jīng)被廣泛的研究，其勢函數(shù)的選取有很多種，諸如Lennard-Jones勢分子動力學、Morse勢分子動力學方法等。 針對不同的材料，構建介觀條件下的對勢，取決于對材料介觀結構的深刻理解，這給勢函數(shù)的構建帶來一定的困難，從而給經(jīng)典分子動力學的模擬帶來困難。隨著密度泛函理論的發(fā)展，第一性原理方法可解決這些困難。 1985年，Car和Parrinello 提出第一性原理分子動力學方法，第一性原理分子動力學方法的勢場直接來源于電子結構的計算，而不是經(jīng)驗勢。,重點模塊 涉及模塊,Discover ：是Materials Studio的分子力學計算引擎， 適用于很大范圍的分子和材料。 Forcite：先進的分子力學和分子動力學模擬程序。,Materials Visualizer：MS的核心模塊，提供建模、分 析和可視化的工具。 Amorphous Cell：構建復雜無定形模型并預測關鍵性 質，一般與Discover、Forcite連用。,,,分子動力學在Materials Studio（MS） 中的實現(xiàn),本課程所使用的軟件Materials Studio 7.0,Discover是Materials Studio的分子力學計算引擎 為Amorphous Cell、Forcite等模塊提供了基礎計算方法。,計算最低能量構象 給出不同系綜下體系結構的動力學軌跡 得到各類結構參數(shù) 熱力學性質 力學性質 動力學量 振動強度,Discover Setup菜單\Energy,Commpass:是第一個把有機分子體系與無機分子體系統(tǒng)一的分子立場。適合于共價分子體系，包括大多數(shù)常見有機物、無機物和聚合物、金屬、金屬氧化物和金屬鹵化物。 Pcff：polymer consistent force field，基于CFF91力場發(fā)展而來，適用于聚合物及有機物。可用于聚碳酸酯類、多糖類等聚合物、無機和有機材料，包括約20種金屬 (Li, K, Cr, Mo, W, Fe, Na, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Al, Sn, Pb）、糖類、脂類和核酸，以及惰性氣體(He, Ne, Kr,Xe )。 Cvff：Consistent valence force field，一致性價力場，最初以生化分子為主，經(jīng)不斷強化，可適用于計算多肽、蛋白質與大量的有機分子。,Discover Setup\Non-bond,設置相互作用力： 范德華力（ vdW ） 庫侖力（ Coulomb ） 范德華和庫侖力（vdW&Coulomb）,計算方法（Summation method）： 基于原子的總量（Atom Based）適合于孤立體系，對于周期性體系計算量較小，但是準確性較差 基于電子群的總量（Group based）適合于周期性和非周期性體系，計算的準確性好一些，計算量最小 基于指定數(shù)量層（Cell Mutipole） 不采用截斷方法（No Cutoff）適合于周期性體系，計算最為準確，但計算量最大,,,精度（Quality）： Corse（粗略） Medium（中等） Fine（精細） Ultra-fine（超精細）,,Job Control菜單,Discover Minimization,優(yōu)化方法（ Method ）： 綜合法(Smart Minimizer)：綜合以下三種方法。 最速下降法(Steepest Descent)：計算簡單，速度快，但在極小值附近收斂性不夠好，造成移動方向正交，適用于優(yōu)化的最初階段。 共軛梯度法(Conjugate gradient)：收斂性較好，但對分子起始結構要求較高，因此常與最速下降法聯(lián)合使用，先用最速下降法優(yōu)化，再用共軛梯度法優(yōu)化至收斂。 牛頓法(Newton)：計算量較大，當微商小時收斂快，也常與最速下降法聯(lián)合使用 。,Convergence level：收斂精度水平 Maximum interation：最大迭代數(shù) Optimizer cell：選中的話表示優(yōu)化晶胞參數(shù)和原子位置,Discover Molecular\Dynamics,Ensemble：系綜 Temperature：目標溫度 Pressure：給系統(tǒng)所施加的壓力 Number of steps：整個動力學所運行的總步數(shù) Time step：每一動力學步驟所花費的時間（單步長時間） Dynamics time：Number of stepsTime step（總模擬時間） Trajectory Save Coordinates表示保存坐標 Final Structure表示只保存最終結構 Full表示保存所有。 Frame output every：若輸入5000，則表示每5000步輸出一幀（即晶體結構）。,字母含義如下： N=固定粒子數(shù) V=固定體積 E=固定能量 T=固定溫度 P=固定壓強 H=固定焓,系綜（Ensemble）,速率法（Velocity Scale）：系統(tǒng)溫度和粒子的速度直接相關，可以通過調整粒子的速度使系統(tǒng)溫度維持在目標值。 Nose and Andersen：控制熱力學溫度并生成正確的統(tǒng)計系綜的概率，熱力學溫度不變，允許模擬系統(tǒng)交換能量的“熱浴”。 Berendsen:包括之間的熱能交換系統(tǒng)和熱浴，允許指定衰減常數(shù)的值。 注：Nose法適用于自相關研究，速率法和Andersen法不適應于不連續(xù)軌跡和速度的自相關研究。,,,,,Setup菜單,計算任務（Task）： 單點能計算 幾何優(yōu)化 動力學模擬 淬火模擬 退火模擬 剪切模擬 限制性剪切模擬 內聚能密度計算 力學特性計算 精度控制（Qualigy）,,,幾何優(yōu)化的參數(shù)設置,ABNR法：改良后的Newton-Raphion法，常用于生物分子體系。,淬火模擬的參數(shù)設置,退火模擬的參數(shù)設置,,內聚能密度計算的參數(shù)設置 Setup菜單----- Cohesive Energy Densit/More 計算分子內相互作用 輸出Study Table文件 Study table中包括輸入的結構文件,力學特性計算的參數(shù)設置 Setup菜單----- Mechanical Properties/More 優(yōu)化結構 明確應變模式中產(chǎn)生的應變數(shù)目 推薦使用偶數(shù)值（2-100） 指出結構最大的形變 值在0.001-0.1之間較為合理 應變模式（Strain Pattern） 應變張量矩陣，由結構對稱性決定,,,COMPASS,力場,適合于共價分子體系，包括,大多數(shù)常見有機物、無機物和聚合物、,金屬、金屬氧化物和金屬鹵化物,。,?,Group A,共價模型，有機物、聚合物和氣體分子,?,Group B,離子模型，金屬、金屬氧化物、金屬鹵化物、沸石,（,0 K,）,COMPASS26,增加二苯醚、苯腈、疊氮化物、醇類新參數(shù)，改進甲烷的參數(shù),COMPASS27,加入二硫鍵基團的參數(shù),COMPASS,加入硫酸根、磺酸根基團的參數(shù),,COMPASS,力場,適合于共價分子體系，包括,大多數(shù)常見有機物、無機物和聚合物、,金屬、金屬氧化物和金屬鹵化物,。,?,Group A,共價模型，有機物、聚合物和氣體分子,?,Group B,離子模型，金屬、金屬氧化物、金屬鹵化物、沸石,（,0 K,）,COMPASS26,增加二苯醚、苯腈、疊氮化物、醇類新參數(shù)，改進甲烷的參數(shù),COMPASS27,加入二硫鍵基團的參數(shù),COMPASS,加入硫酸根、磺酸根基團的參數(shù),,COMPASS,力場,適合于共價分子體系，包括,大多數(shù)常見有機物、無機物和聚合物、,金屬、金屬氧化物和金屬鹵化物,。,?,Group A,共價模型，有機物、聚合物和氣體分子,?,Group B,離子模型，金屬、金屬氧化物、金屬鹵化物、沸石,（,0 K,）,COMPASS26,增加二苯醚、苯腈、疊氮化物、醇類新參數(shù)，改進甲烷的參數(shù),COMPASS27,加入二硫鍵基團的參數(shù),COMPASS,加入硫酸根、磺酸根基團的參數(shù),Universal :元素周期表的完整覆蓋。適用于計算有機、主族無機分子和金屬絡合物的幾何結構、構象能量差異。對于有機金屬體系或其他力場不包含相關參數(shù)的體系，推薦使用該力場。 Dreiding: 基于雜化規(guī)則的力常數(shù)和幾何結構參數(shù)。適用于計算有機、生物和主族無機分子的幾何結構、構象能、分子間結合能和晶體堆積。 COMPASS26 增加二苯醚、苯腈、疊氮化物、醇類新參數(shù)，改進甲烷的參數(shù) COMPASS27 加入二硫鍵基團的參數(shù) pcff30 ：pcff力場會有所更新，最新的版本始終命名為pcff。于此同時，較早的一個版本也會保留下來，用于驗證和已有工作的繼續(xù)，例如pcff30 。 cvff_nocross_nomorse: 當體系能量較高時，Morse函數(shù)會允許成鍵原子分離至不合理的距離。當體系結構遠離平衡時，交叉項可能是不穩(wěn)定的。,,,,氣體在聚合體中擴散的測量,目的：介紹如何使用力場方法來計算氣體在材料中的擴散系數(shù)。 模塊：Materials Visualizer, Discover, COMPASS, Amorphous Cell,背景 氣體在有機溶劑，聚合體或沸石中的擴散率可以通過分子動力學模擬來計算，同時也可以計算氣體在材料中的均方位移。這可以讓你計算氣體的自擴散系數(shù)，并進而可以研究全擴散系數(shù)。當進行分子動力學計算的時候，可以分析溫度，壓力，密度，滲透尺度和結構對擴散的影響。 簡介 在本教程中，我們將通過構建一個包括氧和二甲基硅氧烷（PDMS）的無定形晶胞中計算氧氣在該聚合物。當構建了晶胞以后，將進行分子動力學模擬并計算氧分子的均方位移。雖然本教程中的時間尺度限制了計算，但還是可以用來熟悉相關的方法。本教程基于Charati 和Stern(1998)年發(fā)表的一篇研究氣體在硅聚合物中擴散的文章。,,,,,選擇此文件夾存放數(shù)據(jù),,,,生成了名稱為diffusivity的Project,寫入diffusivity,這樣就產(chǎn)生了新的 Materials Studio project，開始了Materials Studio 運行,,１. 新建一個Materials Studio工作任務,2. 建立初始結構 第一步是構建并優(yōu)化氧分子和PDMS 聚合物來構建無定形原胞。 從菜單欄中選擇Build / Build Polymers / Homopolymer 來顯示Homopolymer 對話框。,把庫Library改成硅氧烷siloxanes，把重復單元Repeat unit改成二甲基硅化物dimeth_siloxane。,在Homopolymer 對話框中選取Advanced。選上Random ，點擊Build。關閉Homopolymer 對話框。 一個名為Polydimeth_siloxane.xsd 的新的3D 自動文檔會打開。,,,,,在Project Explorer 中，右鍵點擊project root 并選擇新的3D Atomistic Document。右鍵點擊3D Atomistic.xsd 并選擇重命名。把名字改成Oxygen 并點擊回車。,,,,,,現(xiàn)在可以勾畫出氧分子。 激活oxygen.xsd。點擊Sketch Atom 按鈕，從下拉菜單中選擇oxygen。 在3D Viewer上左鍵單擊，然后松開左鍵，移動鼠標以形成一根鍵。鼠標移到一定距離，鍵不能再伸長。 雙擊左鍵，完成構建。 把鼠標移到鍵上面，它會變成淺藍色， 這時左鍵點擊一下變?yōu)殡p鍵，O2分子完成構建。 注意，在這些操作中，鼠標狀態(tài)為 。不能點 。 完成O2分子的構建后，點 ，避免產(chǎn)生新的原子。,你需要對氧分子命名一下，不然，MS Modeling 就會用默認的名字。 在Properties Explorer 中，把Filter 改成Molecule。雙擊Name，輸入oxygen，點擊OK。注意核對 ChemicalFormula中是否顯示O2。,,一個經(jīng)驗力場計算（能量最小化或分子動力學）中花費最大的部分是非鍵參數(shù)的確定（庫侖相互作用和范德華力）。涉及力場的計算會用各種方法來計算非鍵參數(shù)，隨所研究系統(tǒng)的尺度和類型而變化。不過對范德華力默認的方法是原子級模擬，對庫侖相互作用則是Ewald加和模擬。 對某些聚合物，可以用一組原子而不是單個原子來逼近非鍵參數(shù)。這種方法叫作charge groups。本教程中你會從頭到尾用到這個方法。這種方法可以在不損害精度的情況下加速計算。 現(xiàn)在聚合體將自動用charge groups 來計算，如果要顯示的話，點擊Display Style 對話框。 激活Polydimeth_siloxane.xsd 文檔。右鍵點擊3D 原子文檔，選取Display Style。在Display Style 對話框中，把Color by 選項改成Charge Group。,在Charges 對話框中指明氧分子是用charge group 的。 激活oxygen.xsd。從菜單欄中選取Modify / Charges 來顯示Charges 對話框，選擇Charge Groups條目，點擊Calculate。,,,,,在優(yōu)化兩個分子的幾何結構之前，必須要讓Discover 知道用charge goups 來進行非鍵計算，而不是用默認選項。在Job Control中選My Computer。,現(xiàn)在可以開始優(yōu)化兩個幾何結構了。 點擊工具條上的Discover 按鈕 ，然后從下拉列表中選擇Minimizer。激活oxygen.xsd。 點擊Discover Minimization 對話框中的Minimize 按鈕。,現(xiàn)在任務瀏覽器顯示出來了，并且在Project Explorer 中創(chuàng)建了一個新目錄oxygen Disco Min。 當計算完成時，最小化的結構會被存放到這個新目錄下。,,激活Polydimeth_siloxane.xsd，點擊Minimize 按鈕。計算結束后最小化的結果被返回到Polydimeth_siloxane Disco Min/Polydimeth_siloxane.xsd 中。 關閉Discover Minimization 對話框。,現(xiàn)在有了兩個優(yōu)化的幾何結構。,在File中點擊Save Project 。從菜單欄中選擇Windows | Close All。在Project Explorer 中打開最小化的結構oxygen Disco Min/oxygen and Polydimeth_siloxane Disco Min/Polydimeth_siloxane.xsd。,3． 建一個無定形的晶胞 當你建好兩個結構后，就可以用Amorphous Cell 模塊來把它們往一個晶胞中成倍地復制。在工具欄上選擇Amorphous Cell 按鈕 ，然后從下拉列表中選擇Construction。將會顯示Amorphous Cell 對話框。,第一步是指明組成晶胞的分子。 激活oxygen.xsd，點擊Add 按鈕。對Polydimeth_siloxane.xsd 重復同樣操作。,氧分子和PDMS 各十個被添加到晶胞中去。不過，我們想建的是包含４個氧分子和八聚PDMS的晶胞。,在Constituent molecules 部分， 點擊Number cell for oxygen ， 把它改為4 。對Polydimeth_siloxane.xsd 作同樣操作，不過把數(shù)值改為8。 把Number of configurations 從10 改為1，把Target density of the final configurations 從1 改為0.95。 不選上the Refine configurations following construct 復選框。,在Amorphous Cell Construction 對話框中選擇Setup 條目。在Job Control 部分，不選上Automatic 并在文本區(qū)域輸入cell，點擊Construct。 當Amorphous Cell 構建了一個結構后，默認是把這個結構與組成分子列表中的第一個分子取相同的名字。本例中，你要把它改成cell。,在Project Explorer 中出現(xiàn)了一個新的名為 AC Constr 的文件夾。當計算結束時，會產(chǎn)生一個包含不規(guī)則晶胞的軌跡文檔cell.xtd。 關閉Amorphous Cell Construction 對話框。雙擊cell.xtd。這個文檔中包含了一個有八聚PDMS 和4 個氧分子的周期性晶胞。,,,,3. 晶胞的弛豫 當一個無規(guī)則晶胞生成時，分子可能不是等價地分布在晶胞中，這樣就造成了真空區(qū)。為了矯正這個，要進行能量最小化來優(yōu)化晶胞。最小化過后，要進行分子動力學模擬來平衡晶胞。 在能量最小化之前，清空工作區(qū)。選擇File | Save Project，接著再從菜單欄中選取Windows | Close All。雙擊 Project Explorer 中的cell.xtd。 當一個包含周期性結構的3D 原子文檔被打開時，那些非鍵的設定會重新變成默認值。文檔cell.xtd 中也有周期性結構，因此在打開之后要把非鍵的設定從默認值改回來。 從菜單欄中選擇Modules | Discover | Setup 來顯示Discover Setup 對話框，從中選取Non-Bond條目。把Apply settings to 改成 vdW & Coulomb。把Summation method 改成 Group Based。,在構建無規(guī)則晶胞時，都要用能量最小化和分子動力學來進行結構弛豫。,關閉Discover Setup 對話框。 現(xiàn)在你已經(jīng)準備好對整個晶胞進行能量最小化了。由于本教程中時間有限，只能進行2000步的優(yōu)化計算。在實際計算中，因該把整個優(yōu)化運行完全。 點擊工具條上的Discover 按鈕 ，然后從下拉列表中選擇Minimizer。在Discover Minimization對話框中，把Maximum iterations從5000改為2000。點擊Minimize。關閉Discover Minimization 對話框。,任務結束后，最終的結構保存在文件夾cell Disco Min 中?，F(xiàn)在要用分子動力學模擬繼續(xù)進行弛豫。 從菜單欄中選取Modules | Discover | Dynamics。將會顯示Discover Molecular Dynamics 對話框。,,,把Ensemble 改為NVT。把溫度改為300。把Number of steps 從5000 改為2000，把Trajectory Save 選項改為 Final Structure，點擊Run。,字母含義如下： N=固定粒子數(shù) V=固定體積 E=固定能量 T=固定溫度 P=固定壓強 H=固定焓,注：要平衡一個準備進行擴散計算的晶胞，NPT 系綜是最好的選擇。本教程中采用最快的NVT 系綜。在一個實際的模擬中，你很可能需要至少50ps 來平衡晶胞。這與系統(tǒng)的大小有關。系統(tǒng)越大，平衡所需時間越長。對NVT 系綜來說，當即時更新的圖表文檔中的能量固定不變時，系統(tǒng)就平衡了。在平衡過程中你也要根據(jù)速度來調節(jié)溫度。,４． 分子動力學的運行和分析 當系統(tǒng)平衡以后，要計算要分子在晶胞中的均方位移，你需要很多幀來分析氧原子往哪里移動。因此現(xiàn)在要再運行另外一個分子動力學模擬并生成一個可以用Discover Analysis 工具來分析的軌跡文檔。 之前，運行了一個NVT 系綜，現(xiàn)在用NVE 系綜。因為就方法而言，NVE 動力學不會被系統(tǒng)的熱力學過程干擾。激活cell.xtd。,,在Discover Molecular Dynamics 對話框中，把Ensemble 改為NVE。 運行的步數(shù)也要增加。把Number of steps 改為5000。把Trajectory Save 選項改為 Full。把Frame output every改為250。 把Trajectory Save 選項選成Full 意味著軌跡文件不僅輸出坐標，還包含其它信息，如溫度，能量，速度和晶格參數(shù)。有些動力學分析函數(shù)只需要坐標作為輸入，但均方位移需要全部的輸出信息。關于分析函數(shù)需要什么樣的軌跡輸出可以參閱Discover Analysis dialog 幫助主題。按下Run 按鈕。關閉Discover Molecular Dynamics 對話框。,計算完成后，就可以開始分析輸出文件了。 激活cell.xtd。點擊Animation 工具條上的Play 按鈕 。軌跡從1 到20 幀循環(huán)，可以讓你觀察分子動力學模擬過程。 當動畫結束后，按Stop 按鈕 。,為了計算氧分子的均方位移，你要把它們同聚合物分子區(qū)分開來。這可以通過把它們定義成一組來達到。要選取所有的氧原子，按住ALT 鍵，雙擊其中一個。不過，如果一個氧原子在聚合體內部，你要把它同其它氧原子區(qū)分開來。最簡單的方法是用它們的力場類型來標記它們，只選中那些對應一種特定力場的氧原子。先使氧分子與聚合物清楚地區(qū)分。,顯示O2的擴散更清楚,,選中氧分子中的一個氧原子，右鍵點選context menu 中的Label。在Label 對話框中，選擇ForcefieldType 特性并點擊Apply。氧原子被標記為o1o。,從菜單欄中選取Edit | Atom Selection，會顯示Atom Selection 對話框。,按OK，關閉對話框。在3D trajectory document上雙擊左鍵，去除對O2的選中。,點擊Forcite Analysis 對話框中的可用選項Choose sets箭頭，選擇oxygen。點擊Analyze。關閉Forcite Analysis 對話框。,5. 輸出數(shù)據(jù)并計算擴散系數(shù) 本教程的最后一部分包括一種電子表格或畫圖軟件的使用。你可以用它來檢驗均方位移的計算是否正確，在此基礎上再來計算擴散系數(shù)。復制并粘貼圖表文檔到你的電子表格中。 右鍵點擊plot，并從context menu 中選取Copy。打開新的電子表格，右鍵點擊它并選擇Paste。,在你的電子表格中有14列數(shù)。第一列是時間，它每隔一列重復出現(xiàn)一次。另外的列里包含所有均方位移的x-，y-和z-分量。在本次計算中你只要前面兩列。,提示：在實際計算中，你要檢查計算結果是否可靠。你可以畫出log(MSD)對log(time)的曲線。如果你的計算收斂了，那么你將得到一條直線。不然，你就要重新計算了。,要計算氧在PDMS 中的擴散率，你要畫出MSD 對時間的曲線，擬合后計算斜率。畫出MSD 對時間的曲線。線性擬合成直線y=ax+b，記下斜率a。 擴散系數(shù)由下面式子給出：,其中N 是系統(tǒng)中擴散原子的數(shù)目。上式中的微分近似用MSD 對時間微分的比率來代替，也就是曲線的斜率a。由于MSD 的值已經(jīng)對擴散原子數(shù)N 作了平均，所以公式可以簡化為：,實驗中氧擴散到PDMS 中的擴散系數(shù)約為5.7 x 10-5 cm2 s-1，而報道的計算結果在2 x 10-5 cm2 s-1與 8 x 10-5 cm2 s-1 之間(Charati and Stern, 1998; Hofmann et al., 2000)。你的計算結果很可能和這個有很大差別，因為你取的聚合體太短，晶格尺度太小，運算時間太短以至于Einstein擴散沒有時間發(fā)生。 參考文獻 Charati, S. G.; Stern, S. A. “Diffusion of Gases in Silicone Polymers: Molecular Dynamics Simulations“, Macromolecules, 31, 5529-5538 (1998). Hofmann, D.; Fritz, L.; Ulbrich, J.; Schepers, C; Boehning, M. “Detailed-atomistic molecular modeling of small molecule diffusion and solution processes in polymeric membrane materials“, Macromol. Theory Simul., 9, 293-327 (2000).,Thank you ！,