MaterialsStudio_V01教案分析.docx
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创腾科技有限公司
MaterialsStudio教程
初级培训班
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1.MaterialsVisualizer的使用
1.1管理Project
当你在进行各种分子模拟工作的时候，MaterialsStudio软件会生成具有不同文件名以及不同后缀的文档。
为使这些文档的管理工作变得更简单，MaterialsVisualizer有一个叫做ProjectExplorer的文件管理器，它与一些高级程序语言包如VC++的文档管理系统相似，你可以藉由这个管理器生成自己的文件夹和文档，并订制文档组织以帮助你纪录所做的工作。
1.1.1Project的细目分类
本节以一个Project为例，只用于示范目的，不牵涉到任何要完成的工作。
在这个例子中，一个m-二甲苯已经被导入并进行了最小化，然后执行了动力学运算并对其进行了分析。
现在对其进行细分来反映每一步在Project管理中的变化。
a）输入m-二甲苯
b）结构优化后，一个m-xyleneForciteGeomopt文件夹出现。
最小化后的结构被放到了此文件夹下（以蓝色高亮显示）。
m-xylene.txt文档包含了Forciteplus计算中的信息
c）执行完动力学计算后，数据被放置到m-xyleneForciteDynamics文件夹下，m-xylene.xtd是轨迹文档，包含了动力学模拟情况。
这是一个标准计算的布局图。
每一个新的计算都基于前一个计算的结果，新的子文件夹将加入到文件树中。
这就允许你按照文件树来查询试验路径。
1.1.2使用自动保存
MSModeling中有自动保存功能，会在指定的时间间隔内将文档的变化自动保存到硬盘上。
如果你需要在一定时间内自动保存文件，那么请确定该选项被打开，如果必须的话，请设定两次更新之间的时间间隔。
从Tools菜单中选择Options...。
在General栏中，确保EnableAutoSave被选中，且时间间隔为10分钟。
如果MSModeling被意外关闭，例如断电或者计算机重起，而在此之间你有一次机会保存工作，那么在重起之后就会有机会恢复当前Project最后一次自动保存时的文档。
注意：
恢复的选项只有一次，如果拒绝恢复自动保存文件，那么这些硬盘上的信息就会被删除。
此外，你可以通过在FolderLocations栏中指定位置来手动恢复自动保存的文档。
在Options中选择FolderLocations。
检查AutoSave文件夹的默认位置。
1.1.3输入模型
下一步是输入一个模型，以查看它会出现在ProjectExplorer的哪一个层次上。
输入文件后，会出现扩展名为.xsd的文件，其位置在ProjectExplorer中junior图标下的第一层。
如果你没有看到扩展名，那么请在Windows文件浏览器的文件夹选项部分取消“隐藏文件扩展名”一项前的勾。
1.1.4产生表格文档
生成一些文档进行处理。
这可以通过运行粉末图案计算来快速完成。
在这里不需要进行分析，因为我们的目的只是为了查看文档操纵。
粉末衍射通过Reflex模块来实现。
可以通过Modules菜单或者Modules工具栏访问该模块。
从Modules工具栏或者Modules菜单选择Reflex工具，然后选择PowderDiffraction。
由于不使用其结果进行任何科学研究，因此不需要改变任何参数。
计算之后出现了两个文档，一个叫做.xsd，另一个为.xcd。
其中.xcd为图表文件。
在之后，我们会继续产生一个不同结构的图表，因此可以将当前结构和图表放置到一个文件夹内以保持ProjectExplorer整洁。
1.1.5产生新文件夹并移动文档
单击选择ProjectExplorer中的任何文件夹，NewFolder按钮将被激活。
按下此按钮将生成一个新的文件夹，其名称默认为NewFolder，可以改变其名称以更适合。
注意：
新生成文件夹的位置有所选择文件夹确定
在要移动的文档上按下鼠标左键，并将其脱拽到该文件夹中，放开鼠标，此文件即被移动到新文件夹内。
1.1.6加入并重命名HTML文档
MSModeling中也有一个重要功能，就是将HTML文档加入到Projects中。
该文档可以在你工作的时候纪录实验的注释或计算设置。
HTML文档比文本文档更有用，它允许将文本导入到任何支持HTML的文字处理程序中，同时它也更容易进行共享。
如果你已经产生了一个文档，它会自动加入到当前所选的文件夹中。
1.1.7保存一个Project
现在有一些结果需要进行保存。
从File菜单中选择SaveProject。
所有的文档都被保存到Project中并且保持现有状态。
如果你现在有一个包含有很多文档的Project，并且想保存所选的文档，那么请从File菜单中选择Save。
1.1.8改变激活文档
使用激活是MSModeling中的一个非常重要的经验。
如果在工作区有很多文档打开，那么有时候就不知道那个文档是属于哪个文件夹。
然而，使用激活方式可以很容易操纵它们。
工作区的激活窗口在ProjectExplorer中用灰色显示，而它所属的文件夹则用黑体表示。
1.1.9删除文档
你也可以从Project中删除单个文档。
通过在ProjectExplorer中选择要删除的文档，并且选择Delete按钮就可以删除单个文档了。
删除某个文件夹的操作同上。
1.2绘制简单分子
在本小节中你将学习如何在MaterialsVisualizer中绘制结构。
需要按照提供的详细指令来构造大量的简单有机分子。
1.2.1生成一个3D文档
点击file/New，选择3DAtomistic，在projectexplorer中生成一个3DAtomistic.xsd文件。
1.2.2绘制苯酚
在Sketch工具栏上单击SketchRing按钮，选择6member，并在3DAtomistic.xsd文件中单击左键以绘制一个6元环。
注意：
当你在绘制的同时按下Alt键，会绘制带虚线的六元环，表示在这里有部分双键的性质，即为芳香键。
完成苯环之后，需要在其上加入一个氧原子，由于苯环中六个碳原子完全相同，因此可以在任何一个碳原子上加入氧原子。
在Sketch工具栏上单击SketchAtom按钮，在任意碳原子上单击并拖拽生成氧原子。
在Sketch工具栏上单击AutoHydrogen按钮自动为分子加入合适的氢原子，同时按下Clean按钮，以获得更具有化学合理性的分子结构。
绘制完成后，可以用不同的观测工具对分子进行平移、旋转和缩放操作。
1.2.3绘制双环戊二烯
双环戊二烯经常被用到杀虫剂和除草剂的合成工艺中。
首先在新文档中加入一个六元环（操作同上），然后再添加五元环。
在Sketch工具栏上单击SketchRing按钮，选择5member，然后将鼠标移动到六元环的一个键上，当该键变为蓝色的时候按下鼠标左键，从而在该六元环上加入一个五元环结构。
选择SketchAtom按钮，保证绘制原子为碳原子。
在下图的1、2号原子之间连续单击以生成桥碳原子。
选择3、4号键，并在BondType按钮中将其设置为双键。
最后我们将为其加入合适的氢原子并对整个结构进行整理。
得到的最终结构如下所示：
1.2.4构造吡啶分子
下一个要绘制的结构是2-氯吡啶。
首先绘制一个芳香结构的六元环。
除了通过选择工具选择并在相应菜单上改变分子的某些性质以外，还可以通过View菜单Explorer下的PropertiesExplorer管理器。
打开PropertiesExplorer管理器，并在工作区用3Dviewer中的3DViewerSelectionMode选中某一个碳原子，在管理器中可以修改该原子相应的性质，例如将该原子的元素符号从C改变为N，那么这个原子将由碳原子变为氮原子，同时其分子量和相关参数也同时发生变化。
此方法还可以用于改变分子、键等不同对象的性质。
完成后，我们将为这个分子加入一个氯原子取代基，
使用工具栏上的SketchAtom按钮，可以很轻松的加入一个氯原子。
在自动加氢并进行整理之前，我们可以打开一个HTML文件记录相关的C-Cl之间的键长，以观察在整理前后键的变化情况。
详细操作过程略。
在进行记录以后，我们将为该分子自动加氢并进行整理。
最终得到的分子结构如下图所示。
1.2.5构造甲基乙酸甲脂
其分子结构如下：
我们不需要构造整个分子结构，一个很好的例子就是将原子加入到下列结构中，并生成相应的化合物。
首先，我们必须构造如下分子：
采用sketch工具构造中间体分子过程从略，
在绘制双键的时候，可以将鼠标指到键的中心，在键变为蓝色的时候单击鼠标左键可以改变键级，重复此过程可以依次生成双键、三键，最后返回为单键。
完成中间结构后，我们需要在两个碳原子之间加入一个氧原子并且删除连接两个碳原子的键。
操作过程与以上操作相类似。
完成后为结构自动加氢并进行整理，最后得到的结构如下图所示：
1.3绘制卟啉分子
卟啉分子是一个大环化合物，包含了4个吡咯分子，每个吡咯分子由碳原子连接起来。
该分子是一个平面分子，并且是一个18p电子的共轭体系。
卟啉在吡咯环上有多个边环，是自然界中一种非常重要的生命支撑化合物。
其中一个例子就是亚铁血红素，铁卟啉复合物显示了动脉血液中的红色。
在这个例子中，我们将构造porphine分子，该分子是所有卟啉分子的母体。
1.3.1绘制一个五元环
使用SketchRing按钮来绘制一个五元环。
绘制完成后，按下Shift，同时选择单个C原子，并采用前面的方法将其替换为N原子。
注意，在进行绘制的时候按下Shift将变为选择模式，而不是进行绘制。
要取消选择，请在按下Shift的同时单击空白区域取消选择。
1.3.2拷贝、粘贴、平移、旋转片断
在这一部分，我们将进行三个片段的拷贝，并对其进行平移、旋转操作已得到其相应的位置。
第一步需要选择一个片断。
用3Dviewer中的3DViewerSelectionMode选择好五元环以后，使用拷贝、粘贴命令，将五元环复制到文档中。
注意，同时按下键盘上的Shift和Alt键，并使用鼠标右键将对所选中的片段进行平移操作；按下键盘上的Shift健，并使用鼠标右键将对所选中的片段进行旋转操作（当鼠标沿着屏幕的边缘移动时，将绕Z轴进行旋转，在屏幕内沿着X轴移动时，将绕Y轴旋转，在屏幕内沿着Y轴移动时，将绕X轴旋转）。
按以上方法将片段放置为以下形式：
1.3.3连接片段
选择SketchAtom工具，用碳原子将单个吡咯连接为完整的卟啉分子。
1.3.4编辑键级
现在我们已经绘制了所有的非氢原子，这时需要编辑相应的键级以获得最终的分子结构。
现在有两种方法可以完成此操作，一是单独使用SketchAtom工具，单击某个单键改变该键的键级，此方法在只需要定义少量键的时候非常有用，但是对于要改变很多键的键级则需要使用第二种方法。
在按下Shift的同时使用选择工具选择多个单键，并在Sketch/ModifyBondType工具上选择双键。
1.3.5加入氢原子并整理结构
对整个结构加入相应的氢原子并整理结构。
如果在上一步中定义了正确数量的双键，那么在这一步里，每一个桥碳原子上会有一个氢原子，同时会有两个氮原子与两个氢原子相连，每个吡咯环上会有两个氢原子相连接。
如果氢原子数目不对，请返回（4）并重新定义双键数目。
1.3.6改变显示风格并输出影像
从DisplayStyle中可以改变分子的显示模型，并可以改变相应的球、棍的半径大小。
从DisplayOption中可以改变整个文档显示的风格，包括背景色等。
在完成显示风格修改之后，可以将屏幕上所看到的分子输出为.bmp文件，这样就可以将图片输入到其它程序中，或者使用与交流。
从File菜单中选择Export命令，在文件类型部分选择.bmp，此时相应的Option选项被激活，在这里我们可以定义bmp文件的高度和宽度。
设置完成后选择相应的文件夹，并单击Save按钮。
注意，无论导入或导出的文件均只能保存在纯英文路径下。
1.4绘制有机金属结构
MaterialsVisualizer可用于周期性或非周期性结构的建模。
在周期性体系中对称性的应用已经为大家所熟知，非周期体系中对称性的应用就相对较少为人所知。
但是，在观察有机金属结构时，对称性就扮演了一重要的角色。
在本小节中，我们将使用MaterialsVisualizer中的对称性工具来构造有机金属化合物的两个对应异构体。
之后，你也可以使用片断数据库或者自定义数据库来构造更复杂的金属有机化合物。
1.4.1绘制初始结构
我们要绘制的结构是一对异构体，包括Meso（C1）和Rac（C2）两种结构，显示如下：
首先我们要绘制其核心结构，将其定义为C1对称性，然后找到替代的C2对称性，最终加入环。
打开SketchFragment工具
片断库显示如下：
左侧显示了MaterialsVisualizer中可用的片断，右侧显示了其相应的三维结构。
注意，模型可以进行旋转操作。
在分子上红色的点表示了片断的联接点，可以通过在期望原子上双击鼠标来改变联结点的位置。
选择MetalTemplates点，并从中选取4coordinateTd
默认的金属中心是Fe原子，可以在绘制之后改变中心原子的类型，也可以在绘制前就直接改变原子的类型。
单击Replaceundefinedatoms按钮来选择相应的元素Zr
将四面体结构放置到工作区中，并按照之前的方法将两个氢原子改变为氯原子，然后添加环戊二烯基。
在SketchFragment片段库中选择Ligands/Cyclopentadienyl，并点击四面体中剩余的两个氢原子以添加环戊二烯基。
完成后按下Clean按钮对结构进行整理
1.4.2使用FindSymmetry工具
下一步是决定体系的对称性。
点击工具栏上的FindSymmetry按钮，弹出以下窗口
在Options栏中，确定Reorientstructureafterupdate不被选中。
在Find栏，按下FindSymmetry按钮。
结果窗口显示当前对称性为C1。
注意，如果显示的是Cs，那么你需要缩减tolerance以增大找到正确的C1对称性的机会。
按下tolerance的下拉箭头，将0.1改变为0.01，可以继续缩小以得到正确的C1对称性。
现在对C1对称性分子进行拷贝，并将其转换为C2对称性。
对于Meso结构分子来说，1234之间的扭转角近似为为90°。
要将其对称性设置为C2，必须将Rac中的5678之间的扭转角值设定为相同值。
首先利用Measure/Change按钮中的Torsion工具显示5678间的扭转角，然后点选这个扭转角，并在PropertiesExplorer中，将这一扭转角的角度设定为与1234相同的值。
完成后使用FindSymmetry工具来查找C2对称性。
注意，在这里如果tolerance值选得过小，会对对称性的要求比较严格，产生C1对称性；如果选得过大，那么要求过低，可能会产生C2v对称性。
1.4.3加入环并整理结构
现在已经完成了核心结构并定义了对称性。
下面可以很容易在其中加入环完成最终结构注意，多余的氢原子不需要进行删除，在进行自动加氢过程的时候，程序会自动删除多余的氢原子。
详细操作过程略。
完成后的结构应如下图所示：
1.4.4生成用户自定义片断
MaterialsVisualizer允许你定义自己的片断并将其加入到片段库中。
在本部分，你将会建造与前面相似的配体结构并将其保存到数据库中，以便之后生成更复杂的金属有机物。
需要构造的配体如下：
我们从SketchFragment工具的环戊二烯基开始。
并为其加入两个苯环。
完成后可以从片断库中选择丁基加入到分子中，而不用再使用SketchAtom工具。
下面我们将此结构定义为片断。
从SketchFragment中选择DefineFragment。
在弹出的对话框中需要你定义联结原子，使用选择工具选择与环戊二烯相连的氢原子，并单击对话框上的Define将该氢原子定义为联结点。
选择相应的片断库，并为该片断命名。
完成后单击Add即可将此片断加入到片断库中。
1.4.5使用此片断进行绘制
完成后即可使用此片断进行绘制。
现在我们绘制以下结构的分子：
按照以下步骤即可完成绘制：
首先在SketchFragment中选择4coordinateTd，并将中心原子选为Zr。
将两个氢原子改变为氯原子。
在片断库中选择新定义的片断，并在四面体的其余两个氢原子上单击就可得到所需要的结构。
1.5将分子对接到表面
表面化学，特别是化学吸收和异相催化，在许多工业过程中扮演了一个重要的角色。
这些过程的一些有价值化学和物理观点都可以使用分子模拟和计算方法得到。
这些认识在化学设计过程中非常有用。
本小节示范了MaterialsVisualizer如何帮助表面化学中的计算研究。
包括了如何构造一个原子表面模型并且如何将小的化学组分对接到表面上。
1.5.1剪切表面
第一步是导入一个想要剪切的晶体表面。
在本节中，你将处理一个纯铂表面。
使用File/import工具导入如下位置Examples\Documents\3DModel\Pt.xsd的Pt晶体结构。
然后点击Build/Surface/CleaveSurface
晶体上的蓝色虚线显示你要剪切的平面。
同样的信息也可以在SurfaceBox栏最上方的CleavePlane中看到。
默认的平面是（-100），现在我们要剪切的平面是（111）表面。
在CleavePlane中输入111并且按下Tab键进行确认
蓝色盒子移动到（111）面上，我们可以在SurfaceBox中的Position中设定表面的顶端和深度。
单击Top中向上的箭头一次，表面的顶端就会移动到下一层原子上。
同样也可以设置表面的深度，在这里我们将其设定为3个分数坐标。
设置完成后单击Cleave按钮
新的Pt（111）.xsd文件出现。
其中显示的既是Pt晶体的（111）表面。
1.5.2构造超晶胞
你已经建造了Pt晶体的（111）表面。
然而，在许多应用领域中，对于表面的研究需要多个这样单元的集合。
在MaterialsVisualizer中你可以增加观测到的单元数量，而不改变其周期性单元结构，
在DisplayStyle的Lattice栏中，改变U、V的大小，形成一个3x3的表面
或者构建超晶胞体系，将周期性重复单元扩大。
在Build菜单Symmetry中选择SuperCell命令设定超晶胞（包括了原有单元）在U、V方向上的数量为3
完成后，一个由9个原始单元组成的大表面出现。
该体系具有二维周期性，为了使用量子力学程序，例如DMol3或者CASTEP，需要使用VacuumSlab功能将其转换为3D结构。
1.5.3加入一个真空片层
在已构建的表面结构之上加入一个真空片层，从而利用一个3D周期性重复单元近似表示2D表面结构。
底部是表面而其上保持真空状态。
你可以在真空片层中加入分子，以研究分子与表面之间的作用。
点击Build/Crystal中的BuildVacuumSlab
弹出相应对话框。
此对话框允许你指定真空片层的厚度、取向和位置。
将真空的厚度从10.00增加到20.00，然后单击Build
Pt（111）.xsd文件被更新，出现了一个底部为表面的矩形框。
由于该体系是3D周期结构，因此在顶部也会有一层原子，我们可以改变其显示风格去除这层原子，方法为
在DisplayStyle的Lattice中，将Style设置为Original
1.5.4将分子定位到表面上
现在我们要构造一个小分子并将其放置到表面上。
首先我们要在一个新的3D文档中绘制一个甲烷分子，并将其拷贝粘贴到真空片层文档中。
先构造一个甲烷分子，并将其粘贴到真空片层文档中。
使用Shift+Alt将分子移动到相应的位置。
完成后，采用CPK模型来进行显示，能够更清楚地进行观测
在定位甲烷分子的时候，可能会需要对其进行旋转。
完成后的状态应该与下图相似，甲烷中的一个氢原子插入到表面内，其它原子在表面上方。
1.6使用聚合物建模工具
MaterialsVisualizer中的聚合物建模工具使得建造聚合物变得更加容易。
聚合物建模工具囊括了一个常见单体数据库，同时也支持定制的重复单元。
你可以构造同聚物、嵌段共聚物和随机嵌段共聚物，并控制不同的性质如立构规正度。
MaterialsVisualizer也允许你构造分叉枝状聚合物。
1.6.1建造均聚物
你可以使用任何聚合物建模工具构造那些基于定制重复单元或者从扩展数据库得到的重复单元的聚合物。
第一个例子将演示如何使用自定义的重复单元，后面的例子将使用预定义重复单元。
a）建造一个重复单元：
首先我们建造一个苯乙烯分子，由它得到的聚合物叫做PPV。
我们绘制一个苯乙烯分子，绘制过程略。
b）设定头部原子和尾部原子
将鼠标设定为选择模式。
并从Build的BuildPolymers下选择RepeatUnit，在弹出的对话框中设定头原子和尾原子
选定标记为头原子的氢原子，并在对话框中按下HeadAtom按钮。
该原子上出现蓝色环，表示为头原子。
同样可以定义尾原子，尾原子用红色的环来显示
最后，在构造聚合物前，将单体进行命名，这样可以在有多个聚合物文档存在的时候很容易地找到。
在PropertiesExplorer中，将文件改为期望的名称
c）构造聚合物
现在可以构造并定义新的单体。
要构造均聚物，需要使用Homopolymers对话框。
从Build的BuildPolymers下选择Homopolymer，弹出均聚物对话框
Polymerize栏列出了可以使用的重复单元库。
要使用刚绘制的分子，需要在Library中选择CurrentProject，然后从相应的RepeatUnit下拉菜单中选择所要的重复单元，如有多个重复单元，则会一一列出
在这里我们想要构造由20个单体构成的聚合物，请在ChainLength中输入20。
完成后按下Build按钮
1.6.2建造嵌段共聚物
点击Build/BuildPolymers，选择BlockCopolymer
弹出的对话框包含三个部分：
Polymerize包含初始的嵌段定义部分；Advanced栏包含起点和终点信息；而Branches栏则包括聚合物连接分支信息的选择项。
a）指定重复单元
首先加入重复单元和嵌段尺寸。
在这里，我们要构造一个包含有5个聚乙烯氧化物、10个聚丙烯氧化物和5个聚乙烯氧化物的聚合物。
在RepeatUnit的空白部分双击鼠标，在弹出的对话框中输入相应的信息
Flipprobability是聚合物中头-头或尾-尾相连的可能性，如果只想有头-尾相互作用，就保留该值为零。
重复以上操作，直到所有的单体都加入到对话框中。
b）建造并且操纵聚合物
最后一步是建造嵌段聚
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