目的：介绍如何使用力场方法计算气体在致密材料中的扩散系数。

所用模块：Materials Visualizer、Forcite Plus、Amorphous Cell、COMPASS、可选Pipeline Pilot Connector

背景

气体在有机溶剂、聚合物或分子筛中的扩散率可以通过运行分子动力学模拟和确定气体在材料中的均方位移来计算。同时可以计算气体的自扩散系数，并深入了解整体扩散率。在执行分子动力学计算时，可以分析温度、压力、密度以及气体分子的大小和结构对扩散的影响。

介绍

在本教程中，将通过构建包含甲烷和聚（顺式-1,4-丁二烯）（PBD）的无定形晶胞来计算甲烷在PBD中的扩散率。构建晶胞后，将执行分子动力学模拟，并计算甲烷分子的均方位移。虽然本教程仅演示一个简短的计算，但对所涉及的方法进行了详细介绍。也可以通过Pipeline Pilot协议运行整个工作流。本教程基于Meunier (2005)发表的一篇论文，该论文研究了气体在二烯聚合物中的扩散。

本教程包括如下部分：

• 开始

• 建立初始结构

• 构建无定形晶胞

• 晶胞弛豫

• 运行和分析分子动力学计算

• 在Pipeline Pilot中运行整个工作流程

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gas_polymer作为工程名，单击OK按钮。

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

2、建立初始结构

第一步是构建和优化甲烷分子和PBD聚合物的结构，以便构建无定形晶胞。为了便于之后选择甲烷分子，可使用不同的显示样式。

使用均聚物Homopolymer构建工具从dienes库创建20个重复单元的c_丁二烯聚合物c_butadiene。

创建一个新的3D原子文档3D Atomistic Document并绘制一个甲烷分子。将原子的显示样式Display style更改为CPK。重命名新文档。

提示：不要从示例结构库导入甲烷。该示例没有将结构定义为文档层次结构中的分子，这将在以后尝试选择所有甲烷分子时出现问题。

在本教程中，将在静电和范德华相互作用的计算中使用电荷组。电荷组是净电荷为零的较小原子片段。这意味着两个组之间的静电相互作用可以用一个简单的基于距离的截断值来评估，避免了计算上更昂贵的Ewald方法。

如果需要，可以手动设置电荷组，但自动分配的电荷组通常可以达到较高的计算要求。首先，将Forcite参数设置为在非键计算中使用电荷组而不是默认的求和方法。

在菜单栏中选择Modules | Forcite | Calculation，打开Forcite Calculation对话框。在Energy选项卡中，从Forcefield下拉列表中选择COMPASSIII。将Electrostatic和van der Waals求和方法均设置为Group based。

单击Forcefield后面的More...按钮，打开Forcite Preparation Options对话框。确确保Charges设置为Forcefield assigned，并对Forcefield types和Charge groups均勾选了Calculate automatically复选框。关闭对话框。

在建立无定形晶胞之前，应对分子进行几何优化。

在Forcite Calculation对话框的Setup选项卡中，从Task的下拉列表中选择Geometry Optimization。将Max. iterations更改为2000。

现在优化甲烷分子。

使得methane.xsd为当前文档，单击Forcite Calculation对话框中的Run按钮。

在Project Explorer将建立一个名为methane Forcite GeomOpt的新文件夹。当计算结束后，优化好的结构将保存在该文件夹中。继续优化聚合物结构。

使得Polyc_butadiene.xsd为当前文档，单击Run按钮。关闭Forcite Calculation对话框。

将重复相同的过程，优化后的结构将返回到Polyc_butadiene Forcite GeomOpt\Polyc_butadiene.xsd文件。

现在可以观察由计算自动分配的电荷组。

使得Polyc_butadiene Forcite GeomOpt\Polyc_butadiene.xsd为当前文档。在3D Viewer中空白区域右键单击，从弹出的快捷菜单中选择Display Style，打开Display Style对话框。将Color by选项更改为Charge Group。确认电荷组分配后，将Color by选项更改回Element。对methane Forcite GeomOpt\methane.xsd重复此过程，并关闭对话框。

注意：聚合物中的扭转自由度将由Amorphous Cell模块修改。将在构建晶胞后进行优化。

在继续进行建立无定形晶胞之前，清理工作区。

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

Materials Studio是久负盛名计算模拟软件，问世20余年来，经过不断地迭代优化，使其功能异常强大，极易上手，初学者只需通过简单的参数设置和点击鼠标就能完成DFT计算。其计算可靠性久经考验，备受Nature、Science等顶级期刊认可。

华算科技和Materials Studio官方代理深圳浦华系统联合推出Materials Studio建模、计算、分析课程。课程专为零基础学员设计，沿着理论讲解、模型搭建、性质计算、结果分析层层递进讲解，带你快速入门DFT计算。课程极度注重实操，全程线上直播，提供无限回放，课程群在线答疑。（详情点击下方图片跳转）

识别下方二维码报名，或者联系手机13005427160。