Materials Studio官方教程：Forcite——运行限制性剪切计算【1】

5、平衡层状体系

在进行剪切之前，首先进行短时间几何优化和长时间NVT动力学，以平衡十三烷聚合物结构。因为只想平衡聚合物中的原子位置，所以限制铁原子位置。

在3D viewer中，按住ALT键并双击其中一个铁原子。从菜单栏中选择Modify | Constraints以打开Edit Constraints对话框。勾选Fix Cartesian position复选框并关闭对话框。

现在已经限制了铁原子的位置，可以弛豫十三烷结构。

从菜单栏中选择Modules | Forcite | Calculation，打开Forcite Calculation对话框。

在Setup选项卡中，将Task更改为Geometry Optimization。

在Energy选项卡上，选择COMPASSIII作为Forcefield。将Electrostatic和van der Waals求和方法更改为Group based。

单击Forcefield后的More...按钮，打开Forcite Preparation Options对话框。确保Charge groups选择了Calculate automatically，关闭对话框。

十三烷的电荷组已经由Amorphous Cell进行了计算。Forcite通过向每个Fe原子添加一个电荷组来完成整个结构上的电荷组分配。

单击Run按钮。

结构的初始弛豫消除了Amorphous Cell无定形晶胞构建和层结构构建过程中产生的任何不良接触。还可以运行分子动力学计算，以提供进一步的结构平衡。在本例中，使用模拟退火计算，在不同温度下运行一组短时间分子动力学计算。

在Forcite Calculation对话框中，选择Setup选项卡。将Task更改为Anneal，然后单击More...按钮，打开Forcite Anneal Dynamics对话框。

在此对话框中，可以指定温度循环的参数。对于本教程，保留默认值。对于实际计算，至少执行50,000个平衡结构的动力学步骤。

关闭Forcite Anneal Dynamics对话框，然后单击Forcite Calculation对话框上的Run按钮。

计算需要几分钟的时间。完成后，将返回三个结构文档：

• Layer.xsd - 包含退火计算最终一帧的结构

• Layer Anneal.xtd - 包含每个退火循环的最低能量帧的轨迹文件

• Layer.xtd - 循环中所有帧的轨迹

使用Layer.xsd作为限制性剪切计算的输入文件。

从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。重新打开退火后的Layer.xsd文件。

6、运行约束剪切模拟并分析结果

在执行限制性剪切计算之前，应取消对Fe原子位置的固定。

选择Layer Forcite Anneal\Layer.xsd文件中的所有原子，然后打开Edit Constraints对话框。在Atom选项卡上，取消勾选Fix Cartesian position复选框并关闭对话框。

现在可以设置限制性剪切模拟参数。

在Forcite Calculation对话框的Setup选项卡上，从Task下拉列表中选择Confined Shear。单击More...按钮，打开Forcite Confined Shear对话框。

确保Wall velocity为0.05 Å/ps，然后单击More...按钮，打开Forcite Dynamics对话框。

将Number of steps更改为5000，Frame output every更改为250。关闭Forcite Confined Shear和Forcite Dynamics对话框。

注意：如果以250 ps的模拟时间运行本教程，则会发生聚合物的剪切。

现在可以运行模拟了。

单击Run按钮，并关闭对话框。

开始限制性剪切计算任务，一个新文件夹Layer Forcite ConfShear。

计算完成后，将返回以下文档：

• Layer.xsd - 包含最终输出结构的结构文档。

• Layer Temperature.xcd - 显示温度随时间变化的图表文件。

• Layer Wall Stress.xcd - 显示沿墙壁的应力随时间变化的图表文件。

• Layer Energies.xcd - 显示能量随时间变化的图表文档。

• Layer.txt - 计算设置和结果的摘要。

• Status.txt - 实时状态更新。

• Layer.xtd - 轨迹文档，其中包含剪切过程的每帧构型。

分析晶胞内部在z方向上的速度变化。对应于(0 0 1) h k l方向。

双击Layer Forcite ConfShear文件夹中的Layer.xtd文件。

从菜单栏中选择Modules | Forcite | Analysis，打开Forcite Analysis对话框。从列表中选择Velocity profile，从Sets下拉列表中选择FLUID。确保Flow direction为A，单击Analyze按钮。

将打开包含速度剖面信息的图表文档和数据表文档。

此图表文档包含沿z方向绘制的FLUID (tridecane)成分的速度剖面。该图在0至9.9 Å直接和超过36.2 Å范围的值零，因为这些区域对应于金属原子墙壁（没有聚合物）。聚合物区域位于9.9和36.2 Å之间，在该区域中，图中将有信号。当结构完全平衡且各处原子分布平均，模拟计算结果将显示速度从底部墙壁处的负值变为顶部墙壁处的正值。

温度分布还可以提供有关体系中局部加热的信息。

在Forcite Analysis对话框中，从列表中选择Temperature profile。然后从Sets下拉列表中选择FLUID。勾选Specified direction (h k l)复选框并将方向定义为0 0 1。单击Analyze按钮。

这将生成整个晶胞的温度分布图。在本例中，温度是相当恒定的，链条相互拉动，造成摩擦的区域将产生局部升温。

还可以计算十三烷原子的浓度分布，以查看其在整个晶胞中的变化。

在Forcite Analysis对话框中，从列表中选择Concentration profile。然后从Sets下拉列表中选择FLUID。勾选Specified direction (h k l)复选框并将方向定义为0 0 1。单击Analyze按钮。

其中包含流体在x、y和z方向上的浓度分布图。z方向图显示，靠近墙壁面的限制性流体密度较高，表明十三烷在剪切作用下粘附在Fe表面。

还可以在多个帧上平均浓度分布。从而能够查找分布与时间的依赖关系。

选择Frames to average并设定值6。单击Analyze按钮，并关闭对话框。

这将生成一个包含多行的图表，其中每行显示平均后的浓度分布。在这个非常简短的例子中，浓度分布没有随时间发生显著变化。

对轨迹的观察也支持十三烷黏附在墙壁上的观点。

使输出的Layer.xtd成为当前文档，并打开Display Style对话框。在Lattice选项卡上，将Style更改为In-Cell，关闭对话框。

这会改变显示方式，将所有原子平移到晶格内部。

按下键盘上的向上键两次，重新排列视图。单击Animation工具栏上的Animation Mode按钮后的下拉箭头，然后选择Options，打开Animation Options对话框。勾选Recalculate atom visibility every frame复选框，并关闭对话框。

单击Play按钮。

随着轨迹动画的播放，十三烷会向金属墙壁移动。

从菜单栏中选择File | Save Project。

本教程到此结束。

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