目的：说明了使用Forcite模块优化几何结构时施加对称性的影响。

所用模块：Materials Visualizer、Forcite、COMPASS

背景

Materials Studio软件中的Forcite模块是一款经典的分子力学工具，由BIOVIA公司的科学家和软件工程师设计，用于执行一系列计算任务，包括对单分子和周期性体系的快速能量计算和几何优化。在晶体结构的几何优化中，Forcite可保留体系的对称性，这在与确定结构相关的计算中尤为重要。

介绍

在确定晶体结构时，对称要素的正确性以及结构处于能量最小值这两点均十分重要。这意味着在没有对称约束的情况下，优化的结构在随后的几何优化过程中不应发生太大变化。

本教程旨在演示在执行晶体结构的几何优化时施加对称性的作用。在本教程中，使用尿素的晶体结构，尿素是一种广泛使用的化学和医药中间体。

本教程包括如下部分：

• 开始

• 对施加对称的结构和单位晶胞进行几何优化

• 删除对称性并执行进一步的几何优化

• 比较两次运行的结果

注意：为了和本教程中的参数保持一致，可以使用Settings Organizer对话框将工程中所有参数都设置为BIOVIA的默认值。

1、开始

首先启动Materials Studio并创建一个新工程。

打开New Project对话框，输入urea作为工程名，单击OK按钮。

新工程将以urea为工程名显示于Project Explorer中。导入体系的晶体结构来研究尿素。

单击Import按钮，打开Import Document对话框。导航至Structures/molecular-crystals/misc文件夹，双击urea.xsd文件。

尿素的晶体结构即显示于一个名为urea.xsd的3D原子文档中。验证结构的对称性。

单击Symmetry工具条上的Show Symmetry按钮，或菜单栏中的Build | Symmetry | Show Symmetry。

打开Symmetry对话框。

Symmetry对话框

即显示了晶体的空间群为P-421M。

2、对施加对称的结构和单位晶胞进行几何优化

下一步是使用COMPASS力场对尿素进行几何优化。

单击Modules工具条上的Forcite按钮，在下拉列表中选择Calculation，或在菜单栏中选择Modules | Forcite | Calculation。

将打开Forcite Calculation对话框。

Forcite Calculation对话框的Setup选项卡

将Task由Energy修改为Geometry Optimization，将Quality设置为Fine。

单击More...按钮，打开Forcite Geometry Optimization对话框。勾选Optimize cell复选框，关闭对话框。

在Energy选项卡中，从Forcefield下拉列表里选择COMPASSIII。保持所有其他设置不变。

单击Run按钮并关闭对话框。

将在Project Explorer中打开一个名为urea Forcite GeomOpt的新文件夹。由于结构库中的结构已接近最优，因此计算只需不到1分钟即可完成，即达到规定的收敛标准。计算完成后，新文件夹接近顶部的urea.xsd文档包含优化的结构。

urea Forcite GeomOpt文件夹中还有其他六个文档。urea.txt文档包含计算任务的所有文本信息。包括初始和最终结构的结构和能量参数值。Status.txt文档包含最终计算任务的执行状态。能量图urea Energy显示了优化过程中总能量的变化。收敛图urea Convergence显示了收敛标准的变化，即能量变化、梯度范数和应力范数与优化步骤的函数关系。一旦满足所有设定的条件，模拟就会停止。单位晶胞Cell图显示了晶胞参数的变化，以及密度Density图显示了体系密度的变化。

打开图表文档urea Energies.xcd。

该文件应与下图相似。

确保对称性未发生变化。

使得urea Forcite GeomOpt/urea.xsd为当前文档，打开对称性Symmetry对话框。

空间群仍为P-421M。在完成教程该部分之前，保存工程，并清理工作区。

从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。

3、删除对称性并执行进一步的几何优化

现在在无对称性限制的情况下，重复上述步骤。首先导入尿素结构的另一个副本文件。

打开Import Document对话框，导航至Structures/molecular-crystals/misc/，导入urea.xsd。

将打开另一个包含尿素结构的3D原子文档，名为urea (2).xsd。去除晶体结构的对称性。

从菜单栏中选择Build | Symmetry | Make P1。

确定现在的对称性为P1。

在Symmetry对话框中，确定空间群Space group为P1。关闭对话框。

为反映对称性的变化，将urea (2).xsd重命名。

在Project Explorer右键单击urea (2).xsd，从弹出的下拉列表中选择Rename。将名字改成urea_P1。

下一步是对urea_P1进行几何优化，使用与之前相同的设置。

打开Forcite Calculation对话框。

Forcite保留所有之前使用的参数。由于将以与之前相同的参数设置运行计算，因此无需进行任何更改。

单击Run按钮，关闭对话框。

将在Project Explorer中打开一个新的名为urea_P1 Forcite GeomOpt的对话框。计算仍然完成的非常迅速。当计算任务结束后，再次保存工程，并关闭所有打开的窗口。

从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。

4、比较两次运行的结果

最后一步是比较两次计算的结果。

找到并打开输出文本文档urea.txt和urea_P1.txt，并将其打开。向下滚动到最终结构的总能量Total energy。

得到的值几乎相同，为-365.83 kcal/mol。现在比较两种结构的晶胞优化结果。

找到并打开图表文档urea Cell.xcd和urea_P1 Cell.xcd。

P-421M对称性下优化得到的尿素晶胞参数

P1对称性下优化得到的尿素晶胞参数

在保持尿素晶体原有对称性的情况下，晶格长度略有减少，并且由于对称约束，晶格夹角保持在90°不变。对于对称性为P1结构，在没有对称性约束的情况下，晶格夹角在模拟过程中会发生变化。虽然精确变化对计算细节非常敏感，但角度最终再次收敛到90°。所以，总的来说，这两种情况下的晶格夹角也非常相似。

找到并打开图表Density.xcd和urea_P1 Density.xcd。

P-421M对称性下优化得到的尿素密度

P1对称性下优化得到的尿素密度

在这两种情况下，由于优化，尿素单位晶胞的密度略有增加。同样，精确变化取决于计算细节，但最终值略低于1.40 g/cm³。

可以得出这样的结论：在是否施加对称性的情况下，几何优化的过程虽然有较大差异，但最终两种情况下的计算结果都会收敛到非常相似的值。

因此，在Forcite几何优化过程中，对称要素会保持不变，这些对称要素的存在与否会严重影响计算过程。但是如本例中施加或未施加对称约束的情况下的计算结果，一旦一个结构接近它的最小能量构象，它就可以收敛，并得出非常相似的晶胞参数和能量值。

本教程到此结束。

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