Materials Studio官方教程：Forcite——气体在聚合物中的扩散率【1】

3、构建无定形晶胞

当两个模型已经构建完成后，即可使用Amorphous Cell模块在晶胞中构建它们的多个副本。

单击Modules工具条上的Amorphous Cell按钮，在下拉列表中选择Calculation。

打开Amorphous Cell Calculation对话框。

Amorphous Cell Calculation对话框的Setup选项卡

第一步是根据每种组分的分子数量来确定成分。晶胞中需含有4个甲烷分子和10个PBD分子，密度为0.95 g/cm³。

将Density设置为0.95 g/cm³。

在组分Composition列表的Molecule列中，选择包含甲烷优化后结构的文档methane Forcite GeomOpt\methane.xsd。在Loading列中输入4。

在下一行中，选择Polyc_butadiene Forcite GeomOpt\Polyc_butadiene.xsd，加载量为10。

根据每个分子的加载量和晶胞的密度，晶胞的估计尺寸显示在对话框底部。在这种情况下，将构造单元长度约为27 Å的立方体。也可使用正交晶格和四方晶格类型，但本教程中未使用。

在建立无定形晶胞时，也可用Amorphous Cell模块优化结构。本例中，将使用Forcite单独优化和平衡构型，而不使用此功能。

单击Options...按钮，打开Amorphous Cell Options对话框。取消勾选Optimize geometry复选框。关闭对话框。

现在选择与Forcite计算中相同的力场。

在Amorphous Cell Calculation对话框的Energy选项卡中，从Forcefield下拉列表中选择COMPASSIII。

Amorphous Cell中的默认计算任务描述为第一个组分的名称，在本例中为methane，在所有输出文档中用作seedname。在本教程中，将默认设置更改为cell。

在Job Control选项卡中，取消勾选Automatic复选框，在文本区域输入cell。单击Project Explorer中gas_polymer树形图根目录，单击Run按钮。关闭对话框。

在Project Explorer将建立并显示一个名为cell AC Construct的新文件夹。当计算结束后，将产生一个包含无定形晶胞的轨迹文件cell.xtd。

注意：如果构造了多帧，它们都将存储在.xtd文档中。可以使用Animation工具栏查看和访问。

双击cell.xtd。

该文件包含一个含有10个PBD低聚物和4个甲烷分子的周期性晶胞。

在以下步骤中，使用结构文档（.xsd）而不是轨迹文档（.xtd）中的模型更为方便。所以应该在一个新的3D原子文档中复制该结构。

右键单击轨迹文件空白区域，选择Copy选项进行复制。

从菜单栏中选择File | New...，选择3D Atomistic文档，单击OK按钮。右键单击新文档中的空白区域，选择Paste粘贴已经复制的结构。将新文档重命名为cell。

在继续进行晶胞弛豫之前，清理工作区。

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

4、晶胞弛豫

当建立一个无定形晶胞时，分子可能不会均匀分布在整个晶胞中，从而形成低密度的区域。要调整这一点，必须执行较短时间的能量最小化（几何优化）以优化晶胞。在能量最小化之后，应该运行一个较短的分子动力学模拟来平衡晶胞结构。这种最小化和分子动力学的过程被称为结构弛豫，应该在构建无定形晶胞时进行。

要执行几何优化，必须首先将使用三维周期结构的电荷组配置Forcite参数。

重新打开新创建的结构文档cell.xsd。打开Forcite Calculation对话框并选择Energy选项卡。将Electrostatic和van der Waals求和方法更改为Group Based。

注意：Forcite对非周期结构和周期结构有单独的设置。该对话框始终显示与活动文档的周期性相对应的设置，默认为非周期性。

现在，已经准备好最小化晶胞的总能量。

在Forcite Calculation对话框中，单击Run按钮。

计算任务完成后，最终结构将存储在cell Forcite GeomOpt文件夹中。将通过在周期性变化的温度下运行分子动力学来继续弛豫这个结构，也就是对体系退火。在本教程中，将只运行一个退火循环。

在Forcite Calculation对话框中的Setup选项卡中，从Task下拉列表中选择Anneal，单击More...按钮，打开Forcite Anneal Dynamics对话框。

将Annealing cycles的数值设置为1，Initial temperature设置为300 K，Mid-cycle temperature设置为500 K。关闭对话框。

现在，在优化后的结构上运行退火计算。

使得cell Forcite GeomOpt子文件夹中的cell.xsd为当前文档。单击Forcite Calculation对话框中的Run按钮。

退火计算任务会产生几个输出文件。最后一次温度变化后的最终结构包含在cell Forcite Anneal文件夹下的cell.xsd文件中。将继续在这个结构上运行一个恒温下较短时间的分子动力学模拟。

使得cell Forcite Anneal子文件夹中的cell.xsd为当前文档。在Forcite Calculation对话框的Setup选项卡中，从Task下拉列表中选择Dynamics，单击More...按钮，打开Forcite Dynamics对话框。

Forcite Dynamics对话框的Dynamics选项卡

有不同类型的分子动力学模拟可用，按系综名称可分为NVE、NVT、NPT和NPH。其中字母表示：

N=恒定分子数

V=恒定体积

E=恒定能量

T=恒定温度

P=恒定压强

H=恒定焓值

注意：如果建立模型时选择的密度（即体积）需要调整到与外部压强一致（通常为大气压强），则应使用NPT系综；如果体系以合理的密度构建，则可以使用NVT，且平均压强应为1 atm或0.0001 GPa。

已经以0.95 g/cm³的密度构建了晶胞。由于这也是该体系在300 K和1 atm下的平均密度，在选定的力场下，无需使用NPT进一步弛豫密度。

因此，可以使用NVT系综运行分子动力学模拟。

从Ensemble下拉列表中选择NVT，并将Temperature更改为300。

在本教程中，将把运行步数减少到2000。对于这种较短时间的分子动力学运行，速度标度Velocity Scale恒温方法比默认值更合适。

将Number of steps更改为2000。在Thermostat选项卡上，选择Velocity Scale作为恒温方法。单击Forcite Calculation对话框上的Run按钮。

注意：在真实模拟中，可能需要运行至少50000次运行步数（50 ps）才能正确平衡晶胞。可以通过在实时更新的图表中查找能量来研究平衡过程，除了小的波动，该图表应该是恒定的。

模拟完成后，将返回大量文档。最终结构包含在cell Forcite Dynamics文件夹中的结构文档cell.xsd中。

清理工作区。

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

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