MaterialsStudio经典教程（初学者特别适合）.pdf

1、 Materials Studio 培训教程 创腾科技有限公司 初级班 单位：华南师范大学 2006.12 创创 腾腾 科科 技技 有有 限限 公公 司司 Neotrident Technology Limited 华南师范大学 1目录 Materials Studio 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

2、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Reflex Plus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 创创 腾腾 科科 技技 有有 限限 公公 司司 Neotrident Technology Limited 华南师范大学 2Materials Studio 快速入门教程快速入门教程 该教程将介绍 Materials Studio

3、 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.生成生成 Projects(1).运行运行 Material Visualizer 从运行菜单中运行或者在桌面点击快捷方式。(2).生成生成 Project 生成名称为 My Quickstart 的 Project。2.打开并且观察打开并且观察 3D 文档文档 (1).调整显示风格调整显示风格 在 3D 结构上单击右键，并选择

4、 Display Style。创创 腾腾 科科 技技 有有 限限 公公 司司 Neotrident Technology Limited 华南师范大学 3 右键菜单 Display Style 对话框中的各选项的意义如下：Atom 栏：栏：Display Style:Line：线状模型。Stick：棍状模型。Ball and stick：球棍模型。CPK：球堆砌模型。Polyhedron：多面体堆积模型（晶体）。Lattice 栏栏: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 Lig

5、hting 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）。创创 腾腾 科科 技技 有有 限限 公公 司司 Neotrident Technology Limited 华南师范大学 4 (2).改变改变 3D 结构的视图结构的视图 可以使用 3D Viewer 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

6、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：Fit to View: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。Reset View: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选择对象的各种类型 在 3D View 工具栏上选择 3D Viewer Selection Mode，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，

7、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：创创 腾腾 科科 技技 有有 限限 公公 司司 Neotrident Technology Limited 华南师范大学 5 (1).生成生成 3D 文档文档 在菜单上选择 New，并且选择 3D Atomistic Document 后单击 OK。此时文件名称出现在左侧的 Project Ex

8、plorer 中，名称为 3D Atomistic Document.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将分子改变为球棍模型 在 Display Style 对话框中进行详细操作。(3).绘制分子环和原子链绘制分子环和原子链 在 Sketch 菜单上选择 Sketch Ring 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 Sketch Atom 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

9、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：注意：可以使用 Undo 命令取消上一次操作。(4).绘制氧原子绘制氧原子 在 Sketch Atom 的选项箭头下选择氧原子，并以相同的方法绘制氧原子。(5).编辑原子类型编辑原子类型 选中某个原子后，在 Modify 菜单下的 Modify Element 中选择 Oxygen 来改变原子类型。或者可以在 Sketch 工具栏中选择 Modify Element 按钮来直接改变原子类型。(6).编辑键的类型编辑键的类型 首先选择两个原子之间的键，然后在 Sketch 工具栏上的 Modify Bond Ty

10、pe 按钮来改变键的类型，同样的选项也可以在 Modify 菜单下的 Modify Bond Type 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。创创 腾腾 科科 技技 有有 限限 公公 司司 Neotrident Technology Limited 华南师范大学 6 (7).调整氢原子并进行整理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 Auto Hydrogen 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

11、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将共轭结构转化为凯库勒式 MS Modeling 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 Bonding Scheme 栏中的选项部分，确定 Convert representation to 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 Atom and Bond 工具栏的 Bond 按钮下找到。(9).监控并且调整距离监控并且调整距离 可以在 MS Modeling 的 Measu

12、re/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|Properties Explore 来查看所构造分子的信息了。Properties Explore 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

13、。4.观察并且处理研究表格文档观察并且处理研究表格文档 Study tables 是 MS Modeling 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 Study Table Document 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将分子模型输入到研究表格中

14、从 Edit 菜单中选择 Insert From 或者在常规工具栏上选择 Insert From 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).从从 Project Explorer 中插入分子模型中插入分子模型 创创 腾腾 科科 技技 有有 限限 公公 司司 Neotri

15、dent Technology Limited 华南师范大学 7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 Project Explorer 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 Insert Into。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：注意：Mesoscale 文件不被研究表格所支持。(6).计算基本描述符计算基本描述符 研究表格的细节显示

16、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：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 QSAR Models 工具栏的 Model 按钮。在出现的对话框中选择 Element Count，同时按下 Ctrl 键可以选择多种性质。注意：注意：进行 Element Count 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 Element Count 条目，在弹出的对话框中 I

17、nput 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研究表格观察者选项 现在 Study Table Viewer 工具栏上的几个选项变为可用。选择列 B，同时选择 Study Table Viewer 工具栏上的 Filter Selection，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。创创 腾腾 科科 技技 有有 限限 公公 司司 Neotrident Technology Limited 华南师范大学 8选择列 B，同时选择 Study Table

18、Viewer 工具栏上的 Sort Ascending 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 Study Table Viewer 工具栏上的 Quick Plot 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 Define Function 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

19、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).打开分子晶体文档打开分子晶体文档 输入 Examples|Documents|3D Model|urea.msi 到 Project 中。(2).计算氢键计算氢键 从菜单中选择 Build|Hydrogen Bonds。该操作会打开氢键计算对话框，注意，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 Atom and Bond 工具栏上，使用 Calculate Hydrogen Bond 按钮来进行计算

20、。(3).调整晶胞显示的范围调整晶胞显示的范围 在 Display Style 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.建造建造 Alpha 石英晶体石英晶体 模拟无机晶体是另外一个重要的领域，特别是对

21、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。创创 腾腾 科科 技技 有有 限限 公公 司司 Neotrident Technology Limited 华南师范大学 9(1).建立建立 Alpha 石英晶体石英晶体 在一个新的 3D 文档中，从 Build 菜单选择 Crystal 下的 Build Crystal.会打开相关的晶体模建对话框。在 Space Group 栏中，选择 Enter Group，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 Latt

22、ice Paramenters 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=4.910 c=5.402。注意，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 Add Atom。此选项会打开 Add Atom 对话框，也可以在 Atom and Bond 工具栏上单击相应的按钮。进入 Options 栏，确认 Test f

23、or bonds as atoms are created 被选中。当该选项被选中的时候，MS Modeling 会在晶体建造过程中，自动产生相应的键。MS Modeling 也有一个通用的Bond Calculation 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 Coordinatie System 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

24、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).对比两种晶体版本对比两种晶体版本 下面我们将对比 MS Modeling 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|3D Model|quartz_alpha.msi。从Windows 菜单中选择 Tile Vertically 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

25、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 Display Style 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：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 MS Model

26、ing 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 MS Modeling 允许构造均聚物(homopolymers)、嵌段共聚物(block copolymers)、无 创创 腾腾 科科 技技 有有 限限 公公 司司 Neotrident Technology Limited 华南师范大学 10规共聚物(random copolymers)和多分叉枝晶聚合物(dendrimers)。(1).建造等规建造等规 PMMA 选择 Build 菜单 Build Polymers 下的 Homopolymer。均聚物对话框出现。

27、在 Polymerize 栏单击 Library 下拉菜单，找到 acrylates。在 Repeat Unit 下拉菜单选择methyl_methacrylate，现在检查 Tacticity 下拉菜单。注意：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 Chain Length 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

28、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 Select Repeat Unit methyl_metha

29、crylate选项。单个的甲基异丁烯酸盐分子以黄色高亮显示。在 Display Style 对话框的 Atom 栏中，选择 Ball and Stick。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 Object Type 下拉菜单中，选择 Repeat Unit，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).研究结构研究结构 取消选择，在窗口中使用平移、

30、旋转、缩放来研究结构。8.保存保存 Project 并结束并结束 (1).保存保存 Project 现在你已经产生了你的第一个 Project 文件。在 Project Explorer 中单击某一个文件，该 创创 腾腾 科科 技技 有有 限限 公公 司司 Neotrident Technology Limited 华南师范大学 11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 Save Project。要退出 MS Modeling，请从 File 菜单选择 Exit。创创 腾腾 科科 技技 有有 限限 公公 司司

31、 Neotrident Technology Limited 华南师范大学 12Visualizer 模块快速入门教程模块快速入门教程 下面的教程将示范如何使用 Visualizer。?管理管理 Project:介绍 MS Modeling 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。?绘制卟啉分子绘制卟啉分子:显示如何操纵片断并使用 Display Style 对话框。?绘制有机金属结构绘制有机金属结构:介绍片断浏览并示范如何使用 Find Symeetry 工具。?将分子对接到表

32、面将分子对接到表面: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.管理管理 Project 背景背景 当你正在运行一些高级的操作，例如 Discover 或者 Amporphous Cell 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，MS Modeling 有一个叫做Project Explorer 的文

33、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 MS Modeling 中的一个基本部分，也是进行其它教程的参考部分。(1).例子例子 Project 的示范性细目分类的示范性细目分类 此部分由一个例子 Project 的细目分类组成。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.一开始输入 m-二甲苯后的 Pro