计算化学上机报告上交版.docx

计算化学上机报告上交版.docx

《计算化学上机报告上交版.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算化学上机报告上交版.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

计算化学上机报告上交版

2012年秋季学期《计算化学》上机报告

氧气分子在聚合物中扩散系数的计算

班号：

10907401

学号：

1090740112

姓名：

贺绍飞

2012年哈尔滨工业大学

正文

计算内容：

构建一个包括20个氧气分子和10个二甲基硅烷分子的无定形晶胞,计算氧气在该聚合物中的扩散系数。

计算目的：

掌握如何使用力场方法来计算气体在材料中的扩散系数,主要练习MS软件中的MaterialsVisualizer,Discover,COMPASS,AmorphousCell模块。

计算过程及相应结果：

第一步：

构建并优化氧分子模型和聚二甲基硅烷聚合物模型

1.构建氧气分子模型

打开软件，新建3DAtomisticDocument用于构建氧气分子模型；

点击元素画笔，选择氧元素，移动鼠标以形成单键，点击箭头再点击单键，然后点击建型按钮选择双键，即可建立好氧气分子结构，如下图所示

2.构建二甲基硅烷分子模型

构建二甲基硅烷分子模型如下图所示

3.建立二甲基硅烷的重复单元

在菜单栏里选择build-buildpolymers-repeatunite；

点击首部原子再点击HeadAtom，点击尾部原子再点击TailAtom，点击骨架原子，再点击ChiralCenter，定义好后，点击Set即可；

关闭repeatunite窗口

4.构建10个二甲基硅烷分子组成的高聚物

在菜单栏里选择build|buildpolymers|blockcopolymer；

弹出blockcopolymer对话框，在blockdefinition中左键双击repeatunite下面的空白格进行定义；

弹出addblockdefinition对话框，在Library里选择currentproject，repeatunite里选择3DAtomistic，blocksize选择个数为10个；

点击Add，关闭AddBlockDefinition窗口即可；

再点击build，即建立出重复单元为10个的聚二甲基硅烷，生成BlockC2H8Si.xsd文件

选择根据基团来标记颜色，便于以后优化计算

5.优化氧气分子模型

首先对氧气分子模型进行电子计算；

然后打开DiscoverSetup对话框，在DiscoverSetup对话框中选择Non-Bond条目，把Applysettingsto改为vdW&Coulomb，把Summationmethod改成GroupBased；

关闭DiscoverSetup对话框

再点击Modules里的discover，点击minimizer能量最小化优化结构，激活Oxygen.xsd;

弹出DiscoverMinimization对话框，Method选择SmartMinimization，convergencelevel选择corse，点击minimize即可

6.优化聚二甲基硅烷聚合物模型

点击Modules里的discover，点击minimizer能量最小化优化结构，激活blockC2H8Si.xsd；

弹出DiscoverMinimization对话框，Method选择SmartMinimization，convergencelevel选择corse，点击minimize即可

第二步：

构建并优化无定型原胞

1.构建无定型原胞

点击工具栏构建原胞图标，在下拉菜单中选择construction（lgacy），弹出amorphouscellconstruction对话框；

激活BlockC2H8Si.xsd（已能量优化的，即BlockC2H8SiDiscoMin文件中的BlockC2H8Si.xsd），再点击Add，添加聚合物分子；

激活Oxygen.xsd（已优化的），点击Add，添加氧气分子；

设置参数：

（1）双击number中条框修改个数，聚合物默认为10个，氧气需修改为20个；

（2）Numberofconfigurations修改为1；

（3）targetdensityofthefinalconfigurations中修改为0.98；

（4）勾掉Rifineconfigurationsfollowingconstruction复选框的对勾（若要生成很多不同的结构的话，可以用Refineconfigurationsfollowingconstruct复选框来对每一个晶胞运行优化和分子动力学，不过，本次实验将手动进行这些操作。

不选上theRefineconfigurationsfollowingconstruct复选框）

将原胞的名字设置为Cell，便于以后优化计算；

点击construct

2.优化无定型原胞

当一个无规则晶胞生成时，分子可能不是等价地分布在晶胞中，这样就造成了真空区。

为了矫正这个问题，要进行能量最小化来优化晶胞。

点击Modules|Discover|Setup；

弹出DiscoverSetup对话框，从中选取Non-Bond条目，把Applysettingsto改成vdW&Coulomb，把Summationmethod改成GroupBased

关闭DiscoverSetup对话框

点击Modules|Discover|Minimizer；

弹出DiscoverMinimization对话框，点击Minimize；

任务结束后，最终的结构保存在文件夹BlockC2H8SiDiscoMin中。

第三步：

晶胞弛豫

1.分子动力学模拟晶胞弛豫

从菜单栏中选取Modules|Discover|Dynamics；

弹出DiscoverMolecularDynamics对话框。

有各种不同的分子动力学模拟，以系综分类，分别为NVE,NVT,NPT,和NPH。

字母含义如下：

N=固定粒子数V=固定体积E=固定能量

T=固定温度P=固定压强H=固定焓

把Ensemble改为NVT（要平衡一个准备进行扩散计算的晶胞，NPT系综是最好的选择。

不过，本次实验中采用最快的NVT系综），把温度改为300，步数5000降到2000（把Numberofsteps从5000改为2000），TrajectorySave选项改为FinalStructure；

点击Run即可

第四步：

对原胞进行分子动力学模拟和分析

1.NVE分子动力学模拟

要计算氧气分子在晶胞中的均方位移，需要很多帧来分析氧原子往哪里移动，因此现在要再运行另外一个分子动力学模拟并生成一个可以用DiscoverAnalysis工具来分析的轨迹文档。

点击Discover|Molecular|Dynamics

弹出DiscoverMolecularDynamics对话框设置参数：

（1）把Ensemble改为NVE；

（2）运行的步数也要增加（把Numberofsteps改为5000）；（3）把TrajectorySave选项改为Full（意味着轨迹文件不仅输出坐标，还包含其它信息，如温度，能量，速度和晶格参数。

有些动力学分析函数只需要坐标作为输入，但均方位移需要全部的输出信息）；（4）把Frameoutputevery改为250；

点击run运行；

关闭DiscoverMolecularDynamics对话框

计算过程中会更新两个图表文档。

一个画出非键能和势能随时间的变化，另一个则是温度随时间的变化。

NVE系综中能量不变，不过温度会有涨落，直至收敛到目标温度。

2.定义氧气分子单独成组

为了计算氧分子的均方位移，需要把它们同聚合物分子区分开来。

这可以通过把它们定义成一组来达到目的。

要选取所有的氧原子，按住ALT键，双击其中一个。

（本次操作中聚合物体内部无氧原子，可用此方法。

）

如果一个氧原子在聚合体内部，需要把它同其它氧原子区分开来。

最简单的方法是用它们的力场类型来标记它们，只选中那些对应一种特定力场的氧原子，先使氧分子与聚合物清楚地区分。

右击空白区域选择DisplayStyle；

点击ballandstick选择球棍模型（使键和原子区分清晰），点击CPK，设置原子大小为0.2，使原子放大；

选择氧气分子中的一个氧原子，右键点击选择Lable；

在Lable对话框中选择ForcefieldType力场；

点击Apply，氧原子被标记为o1o；

从菜单栏中选取Edit|AtomSelection；

弹出AtomSelection对话框，把SelectbyProperty改成ForcefieldType，在对应的文本区域，输入o1o，点击Select；

从菜单栏中选择Edit|EditSets；

在EditSets对话框，点击New按钮，输入名字oxygen，点击OK按钮；

关闭EditSets对话框；

双击轨迹文件来取消选择氧分子，现在已经把所有的氧分子中的氧定义成为一组了。

3.分析氧气分子的均方位移

点击Modules|Discover|Analysis；

弹出DiscoverAnalysis对话框，可以用Discover做很多种分析（它们分成五类：

Structural,Energetic,Fluctuation,Dynamic和Mechanical），均方位移是在Dynamic部分。

打开Dynamic条目，选择Meansquareddisplacement；

点击Define按钮（用于指明对哪个轨迹文件进行分析）；

弹出TrajectorySpecification（Discover）对话框，用Addtolist按钮选取当前文档，点击一下Addtolist按钮；

点击Documentsoft下拉菜单，选择Oxygen；

点击Analyze；

关闭窗口，所得分析曲线如下图所示：

第五步：

输出数据并计算扩散系数

复制并粘贴图表文档到excel表格中：

右键点击plot，并从contextmenu中选取Copy；打开新的电子表格，右键点击它并选择Paste。

选中前两列数据做散点图，画出MSD对时间的曲线：

生成MSD对时间的曲线图，选中曲线图中所有的点；右击，选择“添加趋势线”，勾选“显示公式”复选框，线性拟合成直线y=10.47x+2.323，记录斜率为10.47，用于计算扩散系数D：