Materials Studio基本教程5-水分子的径向分布和扩散系数计算

目的：用Materials Studio（MS）软件模拟计算1atm ，25℃下，500个水分子无定形体系的径向分布函数和扩散系数。

模块：Amorphous cell, Discover

简介：径向分布函数g(r)：以流体系统中一个分子为目标分子，与其中心距离由间的分子数目为r——dr，则g（r）=dN/(pπr2dr)可理解为区域密度与平均密度的比。

分子扩散系数：在一个不流动的环境中，若某组分在空间各位置点上的浓度不同，则此组分的分子便可能从浓度高的地方传递到浓度低的地方。这是靠分子扩散的方式传递的。单位面积和传递速率与浓度梯度（即两点的浓度差除以这两点间的距离）成正比。这比例常数称为分子扩散系数。

1.建立初始结构

(1)建造一个的水分子

运行MS，新建一个Project命名为water molecular。打开一个新的xsd文档命名为H2O.xsd。在工具栏选择Sketch Atom工具绘制一个水分子，如下图所示。然后点击Clean工具修正得到合理的几何构象。

(2)建造多分子水的无定型体系

选择菜单栏Modules上的Amorphous Cell，在下拉列表中选择Construction，打开Amorphous Cell Construction对话框。点击Add按钮将水分子添加到体系中，单击Constituent molecules栏中Number下的数字，设为500。相应的，温度298K；Number of configurations填1；Cell type选Periodic cell(设置体系含有周期性边界条件)；水密度0.997g/cc。在Setup选项卡中，选用Compass力场；Job description可设置任务名称。

点击Construct开始构建，在Project explorer中出现了一个新的名为Sketch 1 AC Constr的文件夹。计算结束后产生一个包含500个水分子无定形体系的轨迹文档Sketch 1.xtd，如下图。

2.动力学模拟

(1)优化体系

构建好的水分子无定形体系需要用Discover模块中的Minimizer对其进行优化，打开Discover Minimizer对话框相关设置如下图，然后点击Minimize按钮开始优化。

优化结束后，会在Project Explorer中创建了一个新目录Sketch 1 Disco Min，当任务完成时，最小化的结构会被存放到这个新目录下。

(2)动力学模拟

用Discover模块中的Dynamics对体系进行平衡计算，打开Discover Molecular Dynamics对话框，下图所示。Ensemble(系综)下拉列表选择NPT，Temperature为298K，温度控制方法选择为Nose，压力为0.0001Gpa，压力控制方法为Berendsen，步数设为10000，时间步长为1fs，Save下拉列表中选择Full，Frame output every处设为200steps(每200步输出一次体系构型文件)。点击Run开始运行，运行结束后会自动产生一个Sketch 1 Disco Dynamics文件夹，里面包含Sketch 1.xtd文档。

3.进行水分子径向分布函数及扩散系数分析

激活Sketch 1 Disco Dynamics文件夹里面的Sketch 1.xtd文档，按住Alt键双击其中一个H原子即选中所有水分子中的H，在菜单栏Edit下拉菜单中选Edit Sets，打开Edit Sets对话框，按New按钮将所有H原子命名为H；用同样的方法将体系中的O原子命名为O；按Ctrl+A选中所有水分子命名为H2O。设置完成后，就可以对水分子进行分析了。

(1)径向分布函数

在工具栏Discover下拉列表选择Analysis，打开Discover Analysis对话框。在窗口菜单中选中Structural目录下的Pair correlation function（径向分布函数），点击按钮Define，打开Trajectory Specification(Discover)对话框，点击Add to list，添加命名后的水分子轨迹文件，关闭对话框。回到Discover Analysis，在Choose sets中在第一个下拉框选择H，第二个下拉框选择O，如下图所示。设置完成后，点击Analyze按钮开始进行分析。

运行结束后会自动产生一个Sketch 1 Disco Pair correlation function文件夹，激活该目录下的Sketch 1.xcd文档。可以看到图中有九条g(r)曲线，其中aa、ab、bb分别表示H-H、H-O、O-O；total、intra、inter分别表示分子内和分子间总的g(r)、分子内g(r)、分子间g(r)。右击图像，在快捷菜单中选择Delete Graphs，选中所有total和intra项，点击Delete。剩下的就是分子间H-H、H-O、O-O的径向分布函数，如下图。

上图给出了水分子中各原子对径向分布函数。O-O 径向分布函数在0. 275 nm处出现最高峰值,表示由于氢键相互作用下中心水分子与最近邻水分子间氧氧距离；O-H 径向分布函数在0. 175 nm 和0. 325 nm 处均出现峰值,这分别是有氢键作用和无氢键作用的O-H 距离；H-H 径向分布函数在0. 245 nm 和0.465nm处出现峰值。

0.275；0.175，0.325；0.245，0.475

0.265；0.175，0.325；0.235，0.475

(2)扩散系数

因为MS软件中无法直接对轨迹文件求出体系的扩散系数，但是可以通过分析均方位移(MSD)来间接求出体系的扩散系数：即均方位移曲线斜率的六分之一就是体系的扩散系数。

在刚才的Discover Analysis对话框中，选择Dynamic目录下的Mean squared displacement (均方位移)，点击Define，再点击按钮Add to list，添加命名后的水分子轨迹文件，关闭该对话框。回到Discover Analysis，在Choose sets中选中H2O，如下图所示。然后点击Analyze开始分析。

运行结束后会自动产生一个Sketch 1 Disco Mean squared displacement文件夹，激活里面包含Sketch 1.xcd文档。右击图形，选择Delete Graphs，可将X，Y，Z方向的MSD图像删除，留下我们需要的图像，如下图。

最后在图像上右击Copy，复制图像中的数据，粘贴到Excel或者Origin软件中进行处理，得到拟合公式：y = 2.0655x + 0.786

R2 = 0.9969

故水的扩散系数为：D=2.0655/6=0.34425 cm2 s-1

2.2644/6=0.3774