目的：介紹Forcite在生成分子在表面的優(yōu)化結(jié)構(gòu)中的使用。

模塊：Forcite

背景：

在Materials Studio中Forcite是一個經(jīng)典分子力學工具，由Accelrys科學家和軟件工程師設(shè)計，可以執(zhí)行一系列任務(wù)，包括對單分子或周期性系統(tǒng)的快速能量計算和幾何優(yōu)化。它提供了使用不同力場的方法，很適合初學者使用，它也為有經(jīng)驗的用戶提供了廣泛的自定義選項。

介紹：

詳細了解表面相互作用和反應，在許多材料的設(shè)計和加工中起著關(guān)鍵的作用， 在這種研究中重要的第一步是分子物理吸附到表面的優(yōu)化幾何模型(即能量最小化)的準備。在建模方法中涉及的步驟是從純晶體表面構(gòu)造表面、分子向表面的添加、研究氣－固相互作用勢能的定義(即力場)、然后是幾何優(yōu)化計算。

本教程的目的是解釋在研究氣體在表面的物理吸附中涉及的不同步驟，在本教程中的系統(tǒng)是一個受到氫吸附到鎢表面的研究的啟發(fā)而產(chǎn)生的例子。在本例中，可以見到分子力學的使用，它可以作為更昂貴的量子力學計算方法的先驅(qū)，一旦結(jié)構(gòu)已經(jīng)用Forcite進行了優(yōu)化，就可以使用DMol³或者CASTEP來研究化學吸附反應。

1. 從純晶體建立金屬表面

(1) 劈開W(100)表面

第一步是載入想要劈開的的晶體結(jié)構(gòu)，在本例中，將使用純鎢(W)。

從菜單欄選擇File | Import，定位到structures/metals/pure-metals并選擇W.msi。

鎢的晶體結(jié)構(gòu)顯示在一個叫W.xsd的3D Atomistic文件中，現(xiàn)在打開Cleave Surface對話框。

從菜單欄選擇Build | Surfaces | Cleave Surface。

顯示Cleave Surface 對話框，如圖8－1所示。

在晶胞上顯示藍色的虛線，指出你正在劈開的晶面。這個信息在Surface Box選項卡頂部也給出了，默認的晶面是-1 0 0，它與(1 0 0)晶面是等價的，所以你不需要改變這一設(shè)置。

為了確保最終的模型能包含氣體分子與鎢原子之間的全部有意義的相互作用，需要改變晶胞的厚度。

增加Fractional Thickness 到2.0。

圖8―1 Cleave Surface對話框

以?表示的thickness現(xiàn)在應該是6.33。現(xiàn)在你已經(jīng)設(shè)置了表面參數(shù)，可以劈開晶胞了。

點擊Cleave按鈕。

一個新的3D Atomistic文件W(-1 0 0).xsd被打開，一個2D周期結(jié)構(gòu)顯示出來，是一個帶有鎢原子的白色正方形。

現(xiàn)在已經(jīng)從3D晶體中建立了一個2D晶胞。然而在將氣體分子放置到表面之前，應該增加表面的側(cè)面面積，這樣做是為了避免在優(yōu)化階段氣體分子和它的周期圖象之間人為的相互作用。

從菜單欄選擇Build | Symmetry | SuperCell。

顯示Supercell對話框。

圖8―2 Supercell對話框

將Supercell range的U和V增加到4，點擊Create Supercell按鈕。

一個由16個原始晶胞組成的更大的表面被建立起來。

關(guān)閉Supercell對話框。

所建立的模型具有2D周期，為了將其用于Forcite程序，需要使用Vacuum Slab功能將它轉(zhuǎn)換為3D晶格。

(2) 建立vacuum slab

Vacuum slab是一個底部具有表面，上面是真空的3D周期晶胞，它使你能夠在表面上放置分子。

從菜單欄選擇Build | Crystals | Build Vacuum Slab...。

顯示Build Vacuum Slab Crystal對話框。

圖8―3 Build Vacuum Slab Crystal對話框

該對話框允許你指定真空板的方向、厚度和位置。

將Slab position從0.00增加到1.00 ?，增加Vacuum thickness到20 ?，點擊 Build按鈕。

W(-1 0 0) 3D Atomistic文件被更新，顯示為一個在底部具有表面的長方體。鎢原子在晶胞的內(nèi)部，使你能更輕松地看到它們。

2. 將氣相分子放置到表面上

在本教程的下一階段將建立一個氫分子，然后將它放置到表面上。為了做到這一點，將在一個新的3D Atomistic文件中繪制一個氫分子，拷貝并將它粘貼到vacuum slab中，然后對接到表面上。

(1) 建立氫分子

點擊New 按鈕旁的選項箭頭，選擇3D Atomistic Document。

在工具欄上選擇Sketch Atom工具，從Element to use 下拉箭頭選擇Hydrogen。在3D視圖中點擊兩次，繪制兩個H原子。最后點擊Clean按鈕。

你已經(jīng)繪制了氫分子，下一步是將它拷貝并粘貼到包含vacuum slab的文件中。

從菜單欄選擇Edit | Copy，在Project Explorer中雙擊W(-1 0 0).xsd，然后從菜單欄選擇Edit | Paste。

氫分子被粘貼到晶格中，由于周期性邊界條件，出現(xiàn)了第二個“ghost”分子， 這個周期圖象在后面很容易被去除。

(2) 將氫分子對接到鎢表面

可以使用Close Contacts工具來監(jiān)測氫與表面的接近程度。

從菜單欄選擇Build | Close Contacts，在Close Contact對話框上，選擇Monitor close contacts復選框。

現(xiàn)在必須選擇氫分子，平移并旋轉(zhuǎn)它，直到它對接到材料的表面。

選擇氫分子，按住SHIFT+ALT鍵和鼠標右鍵，移動鼠標以平移分子。

隨著氫原子的移動，出現(xiàn)粉紅色的虛線指明緊密接觸程序，使用這些控制氫分子剛好位于鎢表面的上方，使粉紅色線剛好出現(xiàn)。

可以通過改變顯示樣式來移除相鄰晶胞中的“ghost”分子。

在3D視圖中右擊，從快捷菜單中選擇Display Style。選擇Lattice選項卡，從Style下拉列表中選擇In-cell。選擇Atom選項卡并選擇Ball and stick選項，關(guān)閉Display Style對話框。

在3D視圖中空白位置點擊，以取消選擇原子。

3. 運行Forcite執(zhí)行幾何優(yōu)化

在本教程中的最后一步是計算氫分子在鎢表面的實際的物理吸附。

使W(-1 0 0).xsd處于激活狀態(tài)，使用3D Viewer工具欄上的Reset View工具將模型放置到窗口的中心。

從工具欄選擇Forcite工具，然后選擇Calculation，或者從菜單欄選擇Modules | Forcite | Calculation。

顯示Forcite對話框。

圖8―4 Forcite Calculation對話框

將Task從Energy改為Geometry Optimization，將Quality改為Fine。

點擊More...按鈕，顯示Forcite Geometry Optimization對話框，將Maximum number of iterations改為1000，關(guān)閉對話框。

最小化算法的默認值是Smart算法，它是一個由最陡下降法和共軛梯度法(CG)串聯(lián)的方法。

選擇Energy選項卡，設(shè)置Forcefield 為Universal。

為了獲得一個合理的幾何優(yōu)化結(jié)構(gòu)，必須首先為所有原子定義charges?？梢允褂肕aterials Studio的Charges工具來實現(xiàn)，該工具可以從Modify菜單得到。對任何系統(tǒng)Charges都可以被平衡，提供了兩種不同的charge平衡方法：QEq和Gasteiger。也可以從Forcite Calculation對話框的Energy選項卡直接訪問Charges功能。在本例中，將使用QEq方法進行charges計算。

在Energy選項卡的Charges下拉菜單中選擇Charge using QEq。

在執(zhí)行幾何優(yōu)化之前最后的步驟是束縛金屬原子的坐標，這樣做是假設(shè)表面結(jié)構(gòu)與塊體結(jié)構(gòu)是相似，并且氫原子不對表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的修改。為了得到更高的精度和進行詳細的研究，在執(zhí)行幾何優(yōu)化之前，馳豫晶體表面是必要的。

按住ALT并雙擊任意一個W原子，所有的W原子都將被選中。

將Task從Energy改為Geometry Optimization，將Quality改為Fine。

點擊More...按鈕，顯示Forcite Geometry Optimization對話框，將Maximum number of iterations改為1000，關(guān)閉對話框。

最小化算法的默認值是Smart算法，它是一個由最陡下降法和共軛梯度法(CG)串聯(lián)的方法。

選擇Energy選項卡，設(shè)置Forcefield 為Universal。

為了獲得一個合理的幾何優(yōu)化結(jié)構(gòu)，必須首先為所有原子定義charges?？梢允褂肕aterials Studio的Charges工具來實現(xiàn)，該工具可以從Modify菜單得到。對任何系統(tǒng)Charges都可以被平衡，提供了兩種不同的charge平衡方法：QEq和Gasteiger。也可以從Forcite Calculation對話框的Energy選項卡直接訪問Charges功能。在本例中，將使用QEq方法進行charges計算。

在Energy選項卡的Charges下拉菜單中選擇Charge using QEq。

在執(zhí)行幾何優(yōu)化之前最后的步驟是束縛金屬原子的坐標，這樣做是假設(shè)表面結(jié)構(gòu)與塊體結(jié)構(gòu)是相似，并且氫原子不對表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的修改。為了得到更高的精度和進行詳細的研究，在執(zhí)行幾何優(yōu)化之前，馳豫晶體表面是必要的。

按住ALT并雙擊任意一個W原子，所有的W原子都將被選中。

從菜單欄選擇Modify | Constraints，在Edit Constraints對話框的Atoms選項卡上，選中Fix Cartesian Position，關(guān)閉對話框。

在3D視圖中點擊空白位置以取消選擇原子。

現(xiàn)在已經(jīng)準備好了運行模擬了。

在Forcite Calculation對話框上點擊Run按鈕。

一個叫做W(-1 0 0) Forcite GeomOpt的目錄，在Project Explorer中被打開，計算不到1分鐘就完成了，達到了約定的收斂標準。當完成時，W(-1 0 0).xsd接近新目錄的頂部，包括優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，如圖8―5所示。

圖8―5 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)

在W(-1 0 0) Forcite GeomOpt目錄中還有另外4個文件，W(-1 0 0).txt文件包括有關(guān)job的所有信息，特別是關(guān)于初始和最終結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和能量參數(shù)值；Status.txt文件包含job的最后執(zhí)行狀態(tài)，W(-1 0 0) Energy圖表顯示了在優(yōu)化過程中總能量的變化；W(-1 0 0) Convergence圖表顯示收斂標準的變化，即Energy Change 和Gradient Norm對優(yōu)化步驟的函數(shù)，當所需要的標準達到時模擬就停止了。

現(xiàn)在你準備了一個結(jié)構(gòu)，它將適合于進一步的模擬，例如使用DMol³或者CASTEP模塊進行解離反應模擬。