forcite 吸附能

聚合物与金属氧化物表面的相互作用目标：介绍如何计算聚合物和金属氧化物表面的相互作用。包括构建一个无定形的聚合物和金属氧化物表面，并且通过分子动力学模拟来计算相互作用能。模块：MaterialVisualizer、AmorphousCell、Forcite耗时度：先决条件：层建立工具；聚合物建立工具背景：聚合物表面和接触面的相互作用对于粘合剂、涂料、隐形眼镜、胶片、润滑剂等产品非常关键。研究者所感兴趣的性质包括与体相有所区别的接触面或者界面的结构，表面张力、润湿以及粘附的化学/力学机理。介绍：本手册展示了如何使用2D周期边界条件构造金属氧化物表面，并且计算聚合物与此表面相互作用的能量大小。手册包括：开始构造表面表面优化增大表面面积并改变周期性聚合物模建使用分层模建工具将聚合物加入到表面上MD优化层结构计算相互作用能提示：使用本手册时，最好显示每个文件的扩展名，以区别不同文件。1、开始在打开MS软件时，需要创建一个新的project。打开NewProject对话框，输入polymer_metal作为project的名称,然后点击OK按钮.一个新的名为polymer_metal的任务将会显示在任务工具栏中，下面将要输入需要的结构。第一步是输入Al2O3晶体，并劈下其[00-1]面。单击工具栏上的Import按钮。进入到Structure/metal-oxides目录中，并双击Al2O3.xsd文件。在工作区中会显示三氧化二铝晶体的结构。2、构造表面表面优化需要切割表面进行下面的计算。单击菜单上的Build|Surfaces|CleaveSurface按钮。剪切表面（cleavesurface）对话框弹出。剪切表面对话框现在我们可以选择剪切的面并设定深度。将Cleaveplane(hkl)的值从-100改为00-1，并按下键盘上的Tab键。由于在力场设定中，将no-bondcut-off值设置为9.5A，所以表面的深度必须要大于9.5A。在本例中，对于00-1面大约为13A。点击Cleave，关闭对话框。出现文件名称为Al2O3(00-1).xsd的新文档，包含有Al2O3晶体的(00-1)面。在新文档的工作区域单击右键，选择LatticeParameters选项。晶胞参数对话框出现。U和V对应于4.759A。接下来需要增大表面面积，但首先要做的是对表面进行优化。关闭LatticeParameters对话框。要优化表面，需要使用分子力学将其能量最小化。尽管表面是离子型的，但是COMPASS力场在对模型分配力场(typing)的时候需要Al原子和O原子之间有键存在。然而，要对体系进行正确计算，需要在分配好力场后将Al-O键删除。在工具栏上单击Forcite工具，并选择Calculate；打开了ForciteCalculation对话框。Setup栏选择GeometryOptimization。Energy栏选择COMPASS力场，然后点击More...打开ForcitePreparationOptions对话框。一般地，当Forcite程序运行时，原子力场类型都会在计算前被自动计算。然而，不要指望在Al原子和O原子间有键存在的情况下通过自动计算来正确反映体系的离子性。因此，需要告诉Forcite程序，不要对已经指派的力场类型进行自动计算。取消选择Calculateautomatically点击Calculate关闭ForcitePreparationOptions对话框。这将给每个原子指派了力场类型，可以通过labeling显示。在Energy/Charges栏选择Forcefieldassigned。只有表面上层的少数原子会和聚合物发生相互作用，而其它的原子只作为体相的一部分被考虑，因此其影响较小。这就意味着可以固定这些体相原子，在优化的时候可以不优化它们。旋转模型将表面移动到上方。单击工具栏上的模型选择按钮。通过拖拽鼠标来选择表面两层以下的所有原子。最终结构应与下图类似：体相原子被固定。选择菜单上的Modify|Constraints。在EditConstraints对话框中，选中FixCartesianPosition并关闭对话框。单击文档其它部分取消选择。在进行优化前最后一步是将Al原子和O原子间的键全部删除。按下Alt键，在任一键上双击鼠标，按下键盘上的Delete按钮。现在需要优化表面。在ForciteCalculation对话框，点击Run，闭对话框。在项目管理器中出现新的文件夹，名称为Al2O3(00-1)ForciteGeomOpt。计算大约需要不到1分钟就可以完成。完成后，能量最小化的结构将保存在Al2O3（00-1）.xsd文件中，并出现在文件夹顶部。3、增大表面面积并改变周期性当前的表面非常小，需要增大其表面面积。现在通过构造超胞来达到此目的。单击Build|Symmetry|SuperCell。在SuperCell对话框中，将超胞的范围改为：U=3，v=3。单击CreateSuperCell按钮，并关闭对话框。增大后的表面显示在工作区域上，现在可以使用BuildVacuumSlab对话框来将其周期性从2D改为3D。选择菜单上的Build|Crystals|BuildVacuumSlab....，并将Vacuumthickness改为0.0，单击Build按钮。警告对话框出现，选择OK。4、聚合物建模在这里模拟所采用的聚合物是聚对硝基苯乙烯。数据库中没有这种聚合物单体，但是可以通过苯乙烯分子编辑得到。聚苯乙烯和对硝基苯乙烯结构在项目管理器中，选择项目顶端。单击工具栏上的Import按钮。在\Structures\repeat-units\vinyls\目录下找到styrene.msi文件，双击打开。要将苯乙烯的单体改为对硝基苯乙烯，需要在与乙烯基相对的位置加上硝基官能团。现在可以使用3D绘制工具或者通过片断绘制工具来进行修改。按下工具栏上绘制片断工具的下拉箭头，选中FragmentBrowse。在FunctionalGroups中选择Nitro。在与乙烯基相对的位置单击一次加入硝基基团？？？、加不上。关闭对话框。在进行下一步工作前可以改变单体的名称。在项目管理器中，在Styrene.xsd名称上单击右键，选择Rename。将文件名称改为p-nitrostyrene。打开性质管理器，并且将Filter改为RepeatUnit。将name(名称)改为p-nitrostyrene。现在可以使用聚合物模建工具用此单体构造聚合物。选中Build|BuildPolymers|Homopolymer选项。均聚物对话框将Library改为CurrentProject，将RepeatUnit改为p-nitrostyrene。将Tacticity改为Atactic。设置ChainLength为8。单击Build按钮，并关闭对话框。现在，生成了一个想象中的聚合物，被保存在Polyp-nitrostyrene.xsd文件中，此聚合物的构象明显是不合理的。获得合理构象聚合物分子的一个途径是使用AmorphousCell模块，通过此模块，可以采用聚合物在真实熔体或者理想溶液中的结构来修正聚合物的骨架二面角。从工具栏上选择AmorphousCell工具，然后选择Calculation。现在需要定义你要在无定形单胞中引入的聚合物，在本例中，是刚构造好的聚合物的一个拷贝。选择Task为Confinedlayer，Molecule为Polyp-nitrostyrene.xsd。注意：在真正的模拟中，需要生成多个不同链长的聚合物，以接近构型空间的平均结果。在建立单胞之前，需要指定目标密度和单胞参数。现在在Al2O3(00-1).xsd文档上双击鼠标左键以激活真空片层结构，单击鼠标右键选择LatticeParameters，注意a、b的值。现在返回polyp-nitrostyrene.xsd文档。这两个数值应该在14到15之间，现在请将聚合物片层的a、b值设置为与Al2O3表面u、v值相同的数值。确定Polyp-nitrostyrene.xsd为活性文件.在AmorphousCellCalculation对话框点击More...按钮打开AmorphousCellConfinedLayer对话框.选择Latticetype为Orthorhombic并设置latticeparameters中a和b的数值与Al2O3一致。在Setup栏确定Density为0.8.在Energy栏设置COMPASS力场，点击Run按钮关闭对话框。一个名称为Polyp-nitrostyreneACLayer的新文件夹出现。几分钟后计算结束，最后的无定形结构会保存在Polyp-nitrostyrene.xtd轨迹文档中。注意：如果在NumberofConfiguration中选择超过1个结构，那么在轨迹文档中会出现其它的结构，可以使用动画工具来观看。5、使用分层模建工具将聚合物加到表面上现在得到了能量最小的表面和聚合物，可以使用分层模建工具将聚合物加到表面上。首先需要确保单胞内和表面上的聚合物具有相同的力场类型。确保Polyp-nitrostyrene.xtd为活性文件。打开ForciteCalculation对话框，在Energy栏中选择More...按钮打开ForcitePreparationOptions对话框，点击Calculate.下面可以建立层结构。在菜单中选择Build|Layers。在Layer1中选择优化后的表面，在Layer2中选择刚构造好的聚合物。在构造分层结构时，由于周期边界条件，聚合物看起来出现在表面的两侧。因此，我们在聚合物层上加入比较大的真空层，这样聚合物就好像只出现在表面层的一边。选择LayerDetails标签部分。将Layer2的真空层加到到30.0。在Matching栏中，选择latticeparametersforLayer1，出现警告对话框点击Yes。单击Build按钮。一个名称为Layer.xsd的新文档出现，包括有聚合物层、金属氧化物层和真空层。后继计算都基于此结构。选择File|SaveProject，然后选择Window|CloseAll.6、优化层结构并运行动力学计算双击Layer.xsd结构。对于平衡体系来说，分子动力学模拟是必须的。要达到体系得完全平衡，最最理想的情况下需要30ps以上的模拟时间，但是，受培训时间限制，我们只模拟0.5ps。由于表面预先优化过了，现在可以固定整个表面。选择所有的表面原子。在菜单上选择Modify|Constrain，并且重新选中FixCartesianPosition。关闭对话框并取消选择。确保表面所有的Al、O原子均被固定。右击选择DisplayStyle，在Atom栏中选择Colorby为Constraint，所有的Al2O3分子均为红色的，然后将Colorby设置为element。下面需要优化上述结构。打开ForciteCalucation对话框，设置Task为dynamics，点击More...设置Numberofsteps为500,关闭对话框。单击Run按钮。关闭对话框。计算需要几分钟时间。当计算进行时，包含有温度、能量的图表会不断更新。文本文档Status.txt文件显示了当前的CPU时间和完成的步数。当计算最终结束，最终结果会出现在.xtd文档中。7、计算相互作用能可以使用以下方程计算相互作用能。EInteraction=Etotal-(Esurface+Epolymer)Etotal是表面和聚合物的总能量，Esurface是除去聚合物后表面的能量，Epolymer是除去表面后聚合物的能量。选择所有的原子，并且在菜单上选择Modify|Constraints，取消FixCartesianPosition的选择。现在计算整个体系，包括聚合物和表面的能量。打开ForciteCalucation对话框，选择task为energy，点击run。计算结束后，