MaterialStudio建模.docx

《MaterialStudio建模.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MaterialStudio建模.docx（11页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、即认为原子对之间相互作用为零(注：CUloffdiStanCe指范德瓦尔斯作用力和库仑力的范围，比如：设定截断半径为5,则表示已分子或原子中心为圆心，以5为半径作圆，半径以外的作用力都不考虑)。此方法计算量较小，但是可能导致能量和其导数的不连续性。当原子对间距离在CUlOff半径旁边变更时，由于前一步考虑了原子对之间的相互作用，而后一步不考虑，由此会导致能量发生跳动。当然，对于较小的体系，则可以设置足够大的Cutoff半径来保证全部的相互作用都被考虑进来。GrOUPBasedgroupbased基于电子群的，总量中包括一个原子的截断距离，一个原子的缓冲宽度距离；大多数的分子力场都包括了每个原子

2、之间点电荷的库仑相互作用。甚至在电中性的物种中也存在点也荷，例如水分子。点电荷事实上反映了分子中不同原子的电负性。在模拟中，点电荷一般是通过电荷平衡法(ChargeeqUilibriUm)评价或者力场定义的电荷来安排的。当评价点电荷时，肯定要当心不要在运用Cutoff技术时引入借误的单极项。要了解到这一点，可以参看如下事实：两个单极，当只有le.u电荷时，在】OA的位置上其相互作用大约为33Kcah而对于由单位单极分别IA所形成的两个偶极，相同距离其相互作用能不超过0.3Kcam01.很明显，忽视单极-单极相互作用会导致借误的结果，而忽视偶极-偶极相互作用则是适度的近似。然而，假如单极相互作用

3、处理不清的话，仍旧会出问题。当non-bondCUtOff运用基于原子-原子基Cutoffdistance(截断距离)：指的是范德瓦尔斯作用力和库仑力的范围。Splinewidth：Bufferwidth：缓冲宽度距离。Setup其他选项保留默认设置即可。4结构优化在工具栏上点击DiSCoVer按钮因，然后选择MininIiZcr。或者从菜单栏选择ModUIeSIDiscoverMinimizer显示DiSCOVerMininIiZer对话框,可以进行几何结构优化计算。注：优化前(Vin),先查看全部原子是否都已安排力场，假如没有，可以手动添加，在ProPertieSEXPIOrer中双击FO

4、rCefieldtype,然后修改力场类型即可。其次在Min之前，须要把晶体结构全部原子重新固定。minimize】，只是对结构进行优化，以达到能量最小化。在作动力学(dynamics)之前最好minimize!*一下,因为假如不minimizer计算收敛时间会比较长，能量波动会比较大，而且计算有可能出错。优化方法MathOCI：最陡下降法(SteepestDescent).共舸梯度法(ConjugateGradient)、牛顿方法(NeWIOn)和综合法(SmartMinimizer)。Convergencelevel：收敛精度水平OMaximumiteration：最大迭代数。Optimi

5、zeCell选中的话表示优化晶胞参数和原子位置。MSDiscover结构优化原理分子的势能一般为键合(键长、键角、二面角、扭转角等)和非键合相互作用(静电作用、范德华作用等)能量项的加和，总势能是各类势能之和，如下式：除了一些简洁的分子以外，大多数的势能是分子中一些困难形势的势能的组合。势能为分子中原子坐标的函数，由原子不同的坐标所得到的势能构成势能面(PotentialEnergySurface,PES)势能越低，构象越稳定，在系统中出现的机率越大；反之，势能越高，构象越不稳定，在系统中出现的机率越小。通常势能面可得到很多微小值的位置，其中对应于最低能量的点称为全局最小值(GIobalEne

6、rgyMinimum),相当于分子最稳定的构象。由势能面求最低微小值的过程称为能量最小化(EnCrgyVinimUm),其所对应的结构为最优化结构(OptimizedStructure),能量最小化过程,亦是结构优化的过程。通过最小化算法进行结构优化时，应避开陷入局部最小值(localminimum),也就是避开仅得到某一构象旁边的相对稳定的构象，而力求得到全局最小值，即实现全局优化。分子力学的最小化算法能较快进行能量优化，但它的局限性在于易陷入局部势阱，求得的往往是局部最小值，而要寻求全局最小值只能采纳系统搜寻法或分子动力学法。在MateriaISStUdiO的DiSCOVer模块中,能量最

7、小化算法有以下四种：1)最陡下降法(SteepestDescent),为一经典的方法，通过迭代求导，对多变量的非线性目标函数微小化，按能量梯度相反的方向对坐标添加一位移，即能量函数的负梯度方向是目标函数最陡下降的方向，所以称为最陡下降法。此法计算简洁，速度快，但在微小值旁边收敛性不够好，造成移动方向正交。最陡下降法适用于优化的最初阶段。2)共短梯度法(ConjUgatCGradient),在求导时，目标函数下降方向不是仅选取最陡下降法所采纳的能量函数的负梯度方向，而是选取两个共短梯度方向，即前次迭代时的能量函数负梯度方向及当前迭代时的能量函数负梯度方向的线性组合。此法收敛性较好，但对分子起始结

8、构要求较高，因此常及最陇下降法联合运用，先用最陡下降法优化，再用共规梯度法优化至收敛。3)牛顿方法(Newton),以二阶导数方法求得微小值。此法的收敛很快速，也常及最陡下降法联合运用。4)综合法(SmartMinimizer).该方法可以混合最陡下降法,共扼梯度法和牛顿法进行结构优化，在MS中是可选择的。SmartMinimizer,牛顿法可以设定最大的原子数，假如体系的原子数大于所设定的值，则计算是会自动地转为前面设定的收敛法(共规梯度法或最陡下降法)，收敛精度会改为共辄梯度法的默认收敛精度值。点开各种方法后面的MOrc,可设定收敛精度(Convergence),算法(Algorithm)

9、和一维搜寻(1.inesearch,指每一次迭代中的精度)等。当Job结束后，结果被返回到Disc。Min节目，最小化的结构被命名为3DAtomistic.xsd,并被保存在“3DAtomisticDiscoMin,书目。还生成一个名为“3DAtomistic,out”的文本文档，它包含了有关计算的全部能量信息。同时还生成SimulationEnergies.xcd,它显示了能量随迭代次数的变更状况。如图所示。本次模拟得到如图所示的结构，5高温弛豫打开diSCoVer下的Dynanlics,如图所示Ensemble（系综）：NVE.NVT、NPT、NPHoTcmperture:目标温度。Pre

10、ssure：给系统所施加的压力。Numberofsteps：整个动力学所运行的总步数。Timpstep：每一动力学步骤所花班的时间。Dynamicstime：NumberofStepsXTimpStCPoTrajectorySave：Coordinates表示保存坐标；FinalStructure表示只保存最终结构；FUll表示保存全部。Frameoutputevery：若输入5000,则表示每5000步输出一次体系构型文件。此操作表示结构在2000K的温度下进行弛豫，此过程原子通过迁移、运动或者扩散，逐步降低原来的高内能态，向稳定的低内能态转变。运行结束后，可以通过调用AninIatiOn观

11、看三维动画，见图动画工具条可以限制三维窗口中动画文件的显示。它包含以下吩咐:PlayBaCkWardS:倒映动画文件。StepBackwards：每次向后放一帧Stop：停止放映。StepForwards：每次一帧加速放映。Play：放映动画。Pause：暂停放映，再按一次后接着放映。AnimationMode：显示动画模式下拉菜单，6. 1系综简介系综(ensemble)是指具有相同条件系统(SyStem)的集合。平衡态的分子动力学模拟，总是在肯定的系综下进行。系综是统计力学中特别重要的概念，系统的一切统计特性基本都是以系综为起点推导得到的。实际应用时，要留意选择适当的系综，如(N,T,P)

12、常用于探讨材质的相变更等。1)在微正则系综(micrononicalensemble)中，模型体系的粒子数、体积V及内能(热力学能E(在热力学通常用U表示内能)。孤立、保守的系统。值得留意的是：体系总能量，即势能和动能的总和，是保持守恒的，常被用来推断积分的精度固定不变。它对应于绝热过程，即体系及环境没有热交换，不存在温度T和压力P的限制因素。由于体系的能量E是守恒的，体系的动能和势能之间互转化。一般说,给定能量的精确初始条件是无法得到的。能量的调整通过对速度的标度进行，这种标度可能使系统失去平衡，迭代弛豫达到平衡。2） NVT系综(正则系综)正则系综(canonicalensemble)中，

13、体系的粒子数N、体积V及温度T保持不变，且总动量保持不变。因此正则系综动力学有时也被称为恒温动力学。为了限制体系的温度，就须要设置一个“虚拟”的热浴环境,及体系进行能量交换。常用的热浴（balh）包括:NOSe-HooVer,BerendSen,Andersen以及“velocityscaling（速度标定）”方法等。3） NPT系综（恒温恒压系综）恒温恒压系综中，体系的粒子数N、压力P、温度T都是恒定不变的。恒温恒压系综允许体系的“体积”发生变更。这里的体积的变更有两种方式，一种是只变更尺寸而保持形态（比如对于晶体来说，晶格类型维持不变，但是晶胞参数中的a,b,c可以变更），另一种是同时变更

14、形态和尺寸（即晶格类型和晶胞参数都可以变更）。压强P及体积共胡，控压可以通过标度系统的体积来实现。目前有很多调压的方法都是采纳的这个原理。4） NPH系综（恒始恒压系综）MPH系综中体系的粒子数N、压力P及体系的熠H（H=E+pV）是守恒的，例如节流膨胀就是一恒烯过程。在模拟中较少见。5） 2系综控温机制系综的控温：温度调控机制可以使系统的温度维持在给定值，也可以依据外界环境的温度使系统温度发生涨落。一个合理的温控机制能够产生正确的统计系综，即调温后各粒子位形发生的概率可以满意统计力学法则。系综控温机制主要有:VelocityScalesNoseBercndsen0Thermostat下拉菜单

15、有四个：1)VelocityScale(干脆速度标定法)：系统温度和粒子的速度干脆相关，可以通过调整粒子的速度使系统温度维持在目标值。实际分子动力学模拟中，并不须要对每一步的速度都进行标定，而是每隔肯定的积分步，对速度进行周期性的标定，从而使系统温度在目标值旁边小幅波动。干脆速度标定法的优点是原理简洁，易于程序编制。缺点是模拟系统无法和任何一个统计力学的系综对应起来：突然的速度标定引起体系能量的突然变更，致使模拟系统和真实结构的平衡态相差较远。2) Nose：该方法可以把任何数量的原子及一个热浴耦合起来，可以消退局域的相关运动，而且可以模拟宏观系统的温度涨落现象。Andersen:3) Ber

16、endSen控温机制：又称BerendSen外部热浴法。其基本思想是假设系统和一个恒温的外部热浴耦合在一起，通过热浴汲取和释放能量来调整系统的温度，使之及恒温热浴保持一样。对速度每一步进行标定，以保持温度的变更率及热浴和系统的温差(Tbalh-T(D)成比例。6.3系综空压机制下拉菜单有3项：Andersen：假定系统及外界“活塞”耦合，当外部压强不能补偿系统内部压强时，“活塞”运动引起系统匀称地膨胀或收缩，最终使得系统压强等于外部压强。Andersen方法具有重要的意义，后来的各种压力限制方法基本都是基于Andersen思想发展起来的。Berendsen:这种方法是假想把系统及一“压浴”相耦合。Parrinello:这种方法允许原胞的形态及体积同时发生变更，以达到及外压平衡。这种方法是对AnderSOn