Materials Studio 培训教程.docx
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MaterialsStudio培训教程
MaterialsStudio培训教
MaterialsStudio快速入门教程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2
Visualizer模块快速入门教程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11
用第一性原理预测AlAs的晶格参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯36
CO分子在Pd（110）表面的吸附⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯43
Pd（110）面上的CO分子电荷密度变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯55
模拟CO_Pd（110）体系的STM图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯61
使用DMol3中的离域内坐标对固体进行几何优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
用LST/QST搜索过渡态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
气体在聚合体中扩散的测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯76
聚合物与金属氧化物表面的相互作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯86
计算共存相之间的界面张力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯96
运行简单的MesoDyn模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯99
使用粉末衍射图进行分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯108
指标化粉末衍射图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯117
无机物的Rietveld精修⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯125
使用ReflexPlus来解析3-氯-反-苯乙烯酸的结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯133
无机化合物FIN31的结构确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯142
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MaterialsStudio快速入门教程
该教程将介绍MaterialsStudio软件的基本功能，在这一部分，你将学到：
1.生成Projects
2.打开并且观察3D文档
3.绘制苯甲酰胺分子
4.观察并且处理研究表格文档
5.处理分子晶体：
尿素
6.建造Alpha石英晶体
7.建造多甲基异丁烯酸盐
8.保存Project并结束
1.生成Projects
（1）.运行MaterialVisualizer
从运行菜单中运行或者在桌面点击快捷方式。
（2）.生成Project
生成名称为MyQuickstart的Project。
2.打开并且观察3D文档
（1）.调整显示风格
在3D结构上单击右键，并选择DisplayStyle。
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右键菜单
DisplayStyle对话框中的各选项的意义如下：
Atom栏：
DisplayStyle:
Line：
线状模型。
Stick：
棍状模型。
Ballandstick：
球棍模型。
CPK：
球堆砌模型。
Polyhedron：
多面体堆积模型（晶体）。
Lattice栏:
Display:
显示单个晶胞或者元胞。
Range：
显示在X、Y、Z方向上晶胞的数量。
Lattice:
显示晶胞边界的风格。
在3D结构上单击右键并选择Lighting选项，该选项将指定加光情况：
在此选项卡内可
以设定三个光源，并改变光源的照射位置（照射位置用箭头显示）。
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（2）.改变3D结构的视图
可以使用3DViewer工具栏上的工具来改变3D视图。
通过选择相应的工具并在3D结构上拖动来改变结构视图。
Rotate:
旋转结构视图。
Zoom:
向上或者右侧拖动可以增大所选结构的视图；向下或者向左侧拖动会缩小所
选结构的视图。
Translation:
将结构沿着不同的方向平移。
对于三键鼠标来说，左键执行所选操作，中键始终是平移操作，而右键则是旋转操作，
同时按下左健和右键则会完成缩放操作。
此外还可以将键盘和鼠标联用来完成上述操作。
以下操作将改变3D结构的位置：
FittoView:
根据窗口的尺寸，为3D结构选择合适的大小。
Recenter:
将结构放置到窗口的中心，结构大小不变。
ResetView:
将结构放置到窗口中原来的位置，并恢复原有大小。
（3）.选择对象的各种类型
在3DView工具栏上选择3DViewerSelectionMode，并通过单击原子、键来选择相
应的对象。
该对象变为黄色表示已经被选中。
通过鼠标的托拽操作可以选择一定区域内的所有对象，包括原子和键。
在结构中的某个原子或键上双击鼠标可以选择整个结构。
3.绘制苯甲酰胺分子
化学家不得不每天处理大范围的小分子和中间体。
快速生成该类分子对于每一个分子建
模环境都是非常重要的。
苯甲酰胺分子就是这样一种小分子，在下边我们将以该分子作为例
子，进行研究工作。
下面是要建造的苯甲酰胺结构：
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（1）.生成3D文档
在菜单上选择New，并且选择3DAtomisticDocument后单击OK。
此时文件名称出现
在左侧的ProjectExplorer中，名称为3DAtomisticDocument.xsd，在其上单击鼠标右键，选
择ReName进行改名并进行保存。
（2）.将分子改变为球棍模型
在DisplayStyle对话框中进行详细操作。
（3）.绘制分子环和原子链
在Sketch菜单上选择SketchRing工具，并移动到文档中绘制环（环的右侧会显示环的
尺寸，可以在键盘上按下数字键3-8来改变环的大小）。
现在选择SketchAtom工具，移动到环上，当原子变为绿色后表示可以进行绘制操作，
单击原子将键连接到该原子上，然后移动鼠标并在合适位置单击设置另一个原子。
要结束绘制，请在最后一个原子上双击鼠标左健或者按下键盘上的Esc键。
注意：
可以使用Undo命令取消上一次操作。
（4）.绘制氧原子
在SketchAtom的选项箭头下选择氧原子，并以相同的方法绘制氧原子。
（5）.编辑原子类型
选中某个原子后，在Modify菜单下的ModifyElement中选择Oxygen来改变原子类型。
或者可以在Sketch工具栏中选择ModifyElement按钮来直接改变原子类型。
（6）.编辑键的类型
首先选择两个原子之间的键，然后在Sketch工具栏上的ModifyBondType按钮来改变
键的类型，同样的选项也可以在Modify菜单下的ModifyBondType中找到。
如果要选择多个原子或键，请按下Shift后再进行选择。
如要取消选择，请在结构外单
击鼠标左键。
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（7）.调整氢原子并进行整理
可以通过程序自动加氢而不需要单独的为每个原子加上合适的氢原子。
在Sketch工具栏上，单击AutoHydrogen按钮为结构加入合适的氢原子，并按下Clean
按钮修正结构的几何，这样结构中的键、键角和扭转角都会变得具有化学合理性。
（8）.将共轭结构转化为凯库勒式
MSModeling可以很轻松的在共轭结构和凯库勒式之间进行转化。
从Build菜单中选择Bond，此选项将进行Bond计算工作。
在BondingScheme栏中的选项部分，确定Convertrepresentationto被选中，并在右侧的
下拉菜单中选择Resonant或者Kekule，会将其转换为另一种对应结构。
同样的选项可以在AtomandBond工具栏的Bond按钮下找到。
（9）.监控并且调整距离
可以在MSModeling的Measure/Change中监控并调整原子间距离、角度和扭转角。
在Measure/Change下，选择Distance。
选择两个原子，则这两个原子之间的距离会显示
出来。
对于成键原子（或者完全不相关原子），可以通过在窗口中按住鼠标左键进行拖动来
改变相互之间距离（第一个选中的原子将会被固定）。
角度和扭转角的操作同上。
完成后就可以使用View|Explorers|PropertiesExplore来查看所构造分子的信息了。
PropertiesExplore可以自动显示所选对象的性质，包括原子、键、分子以及距离、角度
和扭转角等。
可以在相应条目上双击鼠标左键进行改动，改变后的变化会出现在结构上。
4.观察并且处理研究表格文档
Studytables是MSModeling的工作流中重要的一部分，这些文档（.sdf）都会以电子数据
表的形式显示，包括了数学表达赋值和对已有化学数据的控制。
其中每一个单元格都可以包
含字符串或者是3D分子模型。
（1）.打开一个新的研究表格文档
从File菜单中选择New，当打开对话框时选择StudyTableDocument并单击OK。
或者
在常规工具栏上选择New，甚至可以在Project对话框上单击右键选择New。
（2）.将分子模型输入到研究表格中
从Edit菜单中选择InsertFrom或者在常规工具栏上选择InsertFrom按钮。
并选择要输
入的相应文件进行输入。
（3）.在研究表格中观察分子模型
表格的列A中包括了分子的名称和3D结构文件图标，可以通过简单的双击该图标观察
分子结构。
在出现的图中会显示其细节信息，可以操纵该结构，例如可以进行旋转、平移和
缩放操作，但是不能对其进行编辑。
要进行编辑的话需要将分子拷贝到本地的结构文档中，
才能进行相应的编辑工作。
（4）.从ProjectExplorer中插入分子模型
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对分子模型修改完成后，可以将其插入到研究表格中。
过程如下：
在ProjectExplorer中单击研究表格，使其成为当前文档，然后在要插入的文件名上单
击右键，选择InsertInto。
则修改后的结构会插入到表格的最后一行中。
（5）.研究表格支持的其它格式
研究表格也支持3D周期体系，如晶体和无定型晶胞结构。
轨迹文件（.xtd）文件也可以输
入，轨迹文件的每一个桢都会放置到研究表格的一行上。
注意：
Mesoscale文件不被研究表格所支持。
（6）.计算基本描述符
研究表格的细节显示如下：
注意：
研究表格的顶头一行，包含了列标A、B⋯等，被称为列头。
第二行，包含了对
该列内容的描述，例如“Structure”,被称为列描述符。
当计算完多个模型的性质之后，其值会出现在研究表格中。
例如：
选择列A（整个列变成蓝色，表示被选中，任何时候都可以使用Esc键取消选择），然
后单击QSARModels工具栏的Model按钮。
在出现的对话框中选择ElementCount，同时按
下Ctrl键可以选择多种性质。
注意：
进行ElementCount计算时默认选项为计算分子中碳原子的数量，要改变默认，
请双击ElementCount条目，在弹出的对话框中Input部分选择要计算的元素，类似的操作
对于其他计算同样有效。
（7）.研究表格观察者选项
现在StudyTableViewer工具栏上的几个选项变为可用。
选择列B，同时选择StudyTableViewer工具栏上的FilterSelection，则只有列B被显示，
其它部分都被去除。
此方法适合于表格内数据非常多的情形，使用此方法可以清楚地看到所
需要的内容。
此命令对于某行来说同样有效。
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选择列B，同时选择StudyTableViewer工具栏上的SortAscending可以将数据按照从大
到小或者从小到大的顺序进行排列。
选择列B，同时选择StudyTableViewer工具栏上的QuickPlot按钮，可以将相关性质
对列数作图。
返回研究表格，选择工具栏上的DefineFunction按钮，可以自定义函数，具体过程类似
于微软Excel中的函数功能。
5.处理分子晶体：
尿素
医药、农药、色素、染料、专用化合物以及爆炸物等在工业制造过程的某些阶段，都是
晶体材料。
对这些材料进行模拟，可以扩展我们对其的认识，最终帮助我们控制其性质，例
如溶解性、模板寿命、形态、生物药效率、颜色、振动强度、气压和密度等。
在练习中我们
将使用尿素作为一个简单的例子进行分子晶体材料的模拟。
（1）.打开分子晶体文档
输入Examples|Documents|3DModel|urea.msi到Project中。
（2）.计算氢键
从菜单中选择Build|HydrogenBonds。
该操作会打开氢键计算对话框，
注意，你可以应用不同的方案和用于计算氢键的键几何参数。
在这里，我们将使用默认
的选项。
计算完成后，氢键以蓝色的虚线显示。
注意，该计算也可以在AtomandBond工具栏上，使用CalculateHydrogenBond按钮来
进行计算。
（3）.调整晶胞显示的范围
在DisplayStyle中的Lattice栏，将Display部分沿X、Y、Z轴方向的最大晶胞数（Max）
改为2.0。
那么现在我们就可以得到一个2x2x2的尿素晶体了。
在该晶体中，各个原子的分
数坐标不变。
（4）.改变晶胞显示风格
在Lattice栏中，选择None，关闭对话框，将去除晶胞边界线。
（5）.检测结构中氢键连
旋转结构观测氢键网络。
使用键盘上的上、下、左、右键头将按照45°为单位进行旋
转。
6.建造Alpha石英晶体
模拟无机晶体是另外一个重要的领域，特别是对于相关的应用，例如异相催化剂的应用
（如沸石催化剂），或者在石油、天然气探测中的矿物采样分析等。
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（1）.建立Alpha石英晶体
在一个新的3D文档中，从Build菜单选择Crystal下的BuildCrystal...会打开相关的晶
体模建对话框。
在SpaceGroup栏中，选择EnterGroup，输入P3221，并且按下Tab键进行
确认。
也可以从下拉菜单中选择该空间群，如果你知道该空间群的序号，也可以直接输入该
序号。
在LatticeParamenters栏中，在相应的地方可以输入Alpha石英的a和c晶胞参数为
a=4.910c=5.402。
注意，一旦选中了空间群，那么相应的晶胞参数就会被固定下来。
按下Build按钮，一个空的晶胞就会出现在文档中。
（2）.加入硅原子和氧原子
由于已经定义好了体系的对称性，只需要加入一个硅原子和一个氧原子，那么根据对称
操作，会产生整个晶体的相应原子。
从Build菜单中选择AddAtom。
此选项会打开AddAtom对话框，也可以在Atomand
Bond工具栏上单击相应的按钮。
进入Options栏，确认Testforbondsasatomsarecreated被选中。
当该选项被选中的时
候，MSModeling会在晶体建造过程中，自动产生相应的键。
MSModeling也有一个通用的
BondCalculation工具，可以从Build菜单中调用，该工具允许你选择、编辑并定义最佳的成
健方案。
在本例中，默认值就已经足够了。
仍然在Options栏中，确认CoordinatieSystem是Fractional。
进入到Atoms栏中，从
Element下拉菜单中选择Si，并输入相应的a、b、c数据。
a=0.480781,b=0.480781,c=0.0。
Si原子和其对称原子加入到晶胞内。
同样的，我们可以加入氧原子。
氧原子的参数为a=0.150179,b=0.414589,c=0.116499。
氧
原子和其对称原子加入到晶胞内，程序会自动计算并加入相关的键。
（3）.对比两种晶体版本
下面我们将对比MSModeling数据库中的Alpha石英晶体和自构造晶体。
按下列路径输入Alpha石英晶体，Examples|Documents|3DModel|quartz_alpha.msi。
从
Windows菜单中选择TileVertically将两个结构横向平铺。
通过选择每个文档并且使用Reset
View按钮进行同步。
使用键盘上的上、下、左、右箭头来观测两个结构在不同取向上的异
同。
在DisplayStyle的Lattice栏中，在Style下拉菜单中选择In-Cell，则晶胞外的原子都会
被去除，两个结构现在都以同一格式显示。
注意：
也可以使用Build菜单下的Crystal的Rebuild命令来进行。
7.建造多甲基异丁烯酸盐
多甲基异丁烯酸盐（PMMA）是一种重要的商业热塑性材料，特别是对于上光应用更为广
泛。
典型的生产方式是通过使用过氧化物或者含氮前体的甲基异丁烯酸盐的自由基聚合或者
通过热化学/光化学起始反应来生成。
在这个例子中，你可以使用MSModeling的聚合物模
建功能来构造一个20元等规PMMA聚合物，并将其应用到更进一步的模拟以及结构和性质
的研究中去。
注意MSModeling允许构造均聚物（homopolymers）、嵌段共聚物（blockcopolymers）、无
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规共聚物（randomcopolymers）和多分叉枝晶聚合物（dendrimers）。
（1）.建造等规PMMA
选择Build菜单BuildPolymers下的Homopolymer。
均聚物对话框出现。
在Polymerize栏单击Library下拉菜单，找到acrylates。
在RepeatUnit下拉菜单选择
methyl_methacrylate，现在检查Tacticity下拉菜单。
注意：
在立构规正度（Tacticity）中包括了等规立构（Isotactic）、间规立构（Syndiotactic）和无
规异构（Atactic）三种。
此时选择等规立构（Isoactic）。
接下来在ChainLength中输入20。
现在在Advanced栏中，将Torsion设定为60。
现在
已经在软件中设置好了全同PMMA的全部所需参数，单击Build就可以产生一个新的
Polymethyl_methacrylate.xsd文档，其中包括了20元PMMA聚合分子。
按下Sketch工具栏
上的Clean按钮，将获得更合理的几何结构。
一般地，需要更进一步的几何优化，例如使用Dicover模块中的能量最小化功能。
（2）.选择并且标记一个单独的重复单元
首先需要改变结构的显示风格。
请将其设定为线状模型。
单击PMMA分子上的任意一个原子（需要使用Zoom功能以方便操作），选中原子以黄
色高亮显示。
在3D视窗上单击鼠标右键，出现快捷菜单，选中SelectRepeatUnitmethyl_methacrylate
选项。
单个的甲基异丁烯酸盐分子以黄色高亮显示。
在DisplayStyle对话框的Atom栏中，选择BallandStick。
单个选中的甲基异丁烯酸盐
分子以球棍模型显示。
保持单个甲基异丁烯酸分子在选中状态，在空白区域单击右键，选择Label。
则标记对
话框打开，在ObjectType下拉菜单中，选择RepeatUnit，同时在Properties区域，选择Name。
在对话框的Font部分，将字体的大小改变为24，颜色选为Green，然后单击Apply。
重复单
元的名称被加入到了所选单元上。
（3）.研究结构
取消选择，在窗口中使用平移、旋转、缩放来研究结构。
8.保存Project并结束
（1）.保存Project
现在你已经产生了你的第一个Project文件。
在ProjectExplorer中单击某一个文件，该
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文件会在主窗口上打开。
可以在Windows菜单中选择不同的排列方式，观察并比较不同的
文件。
最后从File菜单中选择SaveProject。
要退出MSModeling，请从File菜单选择Exit。
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Visualizer模块快速入门教程
下面的教程将示范如何使用Visualizer。
管理Project:
介绍MSModeling中的Project，并示范如何使用它们管理工作
流文件。
绘制简单分子:
介绍用于绘制链和环的绘制工具，编辑键级和元素类型并且
测量不同的几何性质。
绘制卟啉分子:
显示如何操纵片断并使用DisplayStyle对话框。
绘制有机金属结构:
介绍片断浏览并示范如何使用FindSymeetry工具。
将分子对接到表面:
介绍了用于连接晶体结构的表面模建。
使用聚合物模建工具:
介绍了构建多种类型聚合物结构的聚合物模建工具。
使用层模建工具:
先是如何使用层模建工具来构造一个界面和金属-聚合物-
金属分层结构。
使用晶体模建工具:
介绍用于构造并可视化3D周期结构的晶体模建工具。
1.管理Project
背景
当你正在运行一些高级的操作，例如Discover或者AmporphousCell工作的时候，会生
成具有不同文件名的不同文档。
要使管理这些文档变得更简单，MSModeling有一个叫做
ProjectExplorer的文件管理器。
它与一些高级程序程序语言包如VC++的文档管理系统相似。
与程序可以生成文档和文件夹相同，你也可以生成自己的文件夹和文档来订制文档组织并帮
助你纪录所作的工作。
介绍
本教程分为两个部分。
第一部分描述了一个简单的Project，在这里你会看到如何执行
计算，例如能量的最小化。
第二和以后的部分将通过生成自己的Project来进行指导。
因为
处理Project是
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