目的：介绍与聚合物和金属氧化物表面之间相互作用计算相关的概念。其中包括无定形聚合物和金属氧化物表面的构建以及计算相互作用能所需的分子动力学模拟。

所用模块：Materials Visualizer、Amorphous Cell、Forcite Plus、COMPASS

背景

聚合物表面和界面的相互作用对产品性能及应用研究至关重要，包括粘合剂、涂料、隐形眼镜、复合材料、修复装置、薄膜、润滑剂、油漆和印刷油墨等。研究人员经常研究如下性质，包括界面或界面相的结构、它与体块材料的区别、表面张力、润湿性、以及粘接的化学和力学性能。

介绍

本教程演示如何使用二维周期性边界条件构建金属氧化物表面，以及如何计算聚合物与该表面的相互作用能。

本教程包括如下部分：

• 开始

• 切割并弛豫表面

• 增加表面积并改变周期性

• 构建聚合物模型

• 使用层结构模型构建工具将聚合物添加到表面

• 优化层结构模型并运行分子动力学计算

• 计算相互作用能

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polymer_metal作为工程名，单击OK按钮。

新工程将以polymer_metal为工程名显示于Project Explorer中。

第一步是导入并切割氧化铝（Al₂O₃）的0 0 -1表面。

单击工具栏上的Import按钮。导航至Structures\metal-oxides并双击Al2O3.xsd文件。

将打开一个包含氧化铝晶体晶胞的3D Viewer。

2、切割并弛豫表面

切割表面结构模型，以为之后的计算提供表面模型。

从菜单栏中选择Build | Surfaces | Cleave Surface。

打开Cleave Surface对话框。

Cleave Surface对话框的Surface Box选项卡

现在可以设置切割平面Cleave Plane和厚度Thickness。

将Cleave plane (h k l)从-1 0 0修改为0 0 -1。按下TAB键。

由于力场中设置的非键截断能为9.5 Å，表面层的厚度必须大于9.5 Å。对于0 0 -1表面，约为13 Å。

单击Cleave，关闭对话框。

将打开一个名为Al2O3 (0 0 -1).xsd的新模型文件，包含切割后的表面。

右键单击新创建的文档，从快捷菜单中选择Lattice Parameters，打开Lattice Parameters对话框。

表面模型U、V维度的长度为4.759。

之后可以增大表面积，但首先应弛豫表面。

关闭Lattice Parameters对话框。

为了弛豫表面，必须用分子力学使它的能量最小化。尽管表面本质上是离子型的，但COMPASS力场对模型的分类要求铝原子和氧原子之间存在键。但是，要正确进行计算，必须在键入完成后删除这些键。

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

打开Forcite Calculation对话框。

在Setup选项卡中，从Task的下拉列表中选择Geometry Optimization。

在Energy选项卡中，从Forcefield下拉列表中选择COMPASSIII，单击More...按钮，打开Forcite Preparation Options对话框。

通常，Forcite运行会在每次计算之前自动计算原子类型。然而，氧化铝是离子型的，因此其Al-O键没有参数化。需要预先指定力场类型，并防止模拟过程对其重新计算。

取消勾选Calculate automatically复选框，并单击Calculate。关闭Forcite Preparation Options对话框。

将为每个原子分配力场类型，可以通过原子标签进行查看。

在Energy选项卡中，从Charges下拉列表中选择Forcefield assigned。

只有表面上的几层原子与聚合物之间会发生相互作用。其余的原子被认为是衬底块体的一部分，因此几乎对表面反应没有影响。这意味着可以固定体原子以防止其执行结构优化。

旋转模型，使表面位于窗口顶部。单击3D Viewer工具栏上的Selection。通过围绕其他原子拖拽选框，选择除表面两行原子之外的所有原子。

结构与下图相似。

将固定的体相结构的原子

从菜单栏中选择Modify | Constraints打开Edit Constraints对话框。勾选Fix Cartesian position复选框，关闭对话框。

单击3D Viewer取消选择原子。

在弛豫表面之前的最后一步是删除铝原子和氧原子之间的化学键。

按住ALT键，双击任意化学键。按住DELETE键。

现在准备弛豫表面。

在Forcite Calculation对话框，单击Run按钮，关闭对话框。

将在Project Explorer中打开一个名为Al2O3 (0 0 -1) Forcite GeomOpt的新文件夹。该计算不到一分钟即可完成。当计算完成后，优化好的结构在新文件夹的顶端，即Al2O3 (0 0 -1).xsd文件中。

3、增加表面积并改变周期性

现在的表面积非常小。通过创建超晶胞可以将其扩大。

确保优化好的Al2O3 (0 0 -1) Forcite GeomOpt文件夹中的Al2O3 (0 0 -1).xsd结构文件为当前文档。

从菜单栏中选择Build | Symmetry | Supercell，打开Supercell对话框。将U和V的Supercell range增大为3。单击Create Supercell按钮，关闭对话框。

将显示一个扩大的表面。可以使用Build Vacuum Slab Crystal对话框改变周期性，由2D变为3D。

从菜单栏中选择Build | Crystals | Build Vacuum Slab...，打开Build Vacuum Slab Crystal对话框。将Vacuum thickness改为0.0，单击Build按钮。

将出现一个警告对话框，单击Yes按钮。

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