Materials Studio官方教程（Help-Tutorials）- 聚合物共混物相容性的筛选

背景：在许多工业情况下，配方设计师通常将两种聚合物混合，以生产物理性能得到改善的共混物。表面活性剂、溶剂和精细化工中间体也是如此。通常，目标是以尽可能低的成本生产具有最佳物理或化学性能的混合产品。通常的实验方法包括筛选大量不同的配方，以找到满足所有要求的最终配方。因此，大部分开发时间经常花在准备和测试配方上。制剂稳定性问题可能需要几周或几个月才能显现出来，此时可能已经在资源和材料方面进行了相当大的投资。

Materials Studio中的Blends模块旨在提供桌面IT解决方案，减少实验室实验的需要，更重要的是，减少产品故障的风险。

简介：在本教程中，您将使用Blends预测聚合物与其他两种聚合物的混溶性。您将导入聚（氧乙烯）、聚丙烯和聚（丙烯酸）的单体结构。然后，您将设置混合计算来检查聚（氧乙烯）与聚丙烯和聚（丙烯酸）的相容性。

您将分析运行以预测属性，如Flory-Huggins chi参数的温度依赖性和两种混合物的相图。最后，您将使用一个研究表来检查每次运行的50个最低能量对，并将它们叠加以查看低能量吸收部位。

目的：演示了Blends用于筛选分子相互作用。

本教程重要节点：

准备输入结构-设置和运行Blends计算-分析结果

1. 准备输入结构

在本教程中，您将筛选聚氧乙烯与聚丙烯和聚丙烯酸。

选择File | Import…从菜单栏或单击导入Import按钮打开导入文档对话框。导航到路径文件夹Structures/repeat units/oxides/oxyethylene.msi，单击Open按钮。

本项目引入了氧乙烯结构。结构中的头原子和尾原子分别由原子周围的青色和红色笼状标志示出。

重复上述步骤，将Structures/repeat-units/olefins/propylene.msi和Structures/repeat-units/acrylates/acrylic_acid.msi导入项目。

在Blends模块计算中，可以筛选聚合物之间、聚合物-溶剂或溶剂-溶剂的相互作用。可以通过指定重复单元的头原子和尾原子来定义聚合物。

作为建模过程的一部分，在Blends模块中提交重复单元进行计算之前，应优化重复单元的几何构型。这需要用到Forcite模块。如果您没有此模块的许可证，请转到第2节。

使oxyethylene.xsd成为当前活动文档。从菜单栏中选择Modules | Forcite | Calculation以打开Forcite Calculation对话框。

在Setup选项卡上，将任务Task更改为Geometry Optimization。

在Energy选项卡上，从力场Forcefield下拉列表中选择Dreiding，并将Charges更改为使用Charge using QEq。单击Run按钮。

计算开始，且其进度将显示在Job Explorer中。在Project Explorer中会自动创建一个新文件夹oxyethylene Forcite GeomOpt。当计算完成后，会出现一个对话框，显示计算已成功完成。

oxyethylene Forcite GeomOpt文件夹应包含6个结果文件：

oxyethylene.xsd：由初始结构优化得到的几何构型的3D原子文档。
oxyethylene – Calculation：Forcite计算任务参数设置的.xml文件。单击此文件将打开Forcite Calculation对话框，其中包含计算设置的参数。
oxyethylene Convergence.xcd：能量变化和梯度法线变化曲线图的图表文件。
oxyethylene Energies.xcd：焓变曲线图的图表文件。
Status.txt：实时计算状态更新的文本文件。
oxyethylene.txt：初始计算任务参数设置以及初始和最终结构的能量分量的文件。
分别对acrylic_acid.xsd和propylene.xsd两个结构重复上述的几何优化计算。关闭Forcite Calculation对话框。

现在将在工作区区域中打开大量文档。

从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。

在项目资源管理器中，双击文件夹中的 oxyethylene.xsd，acrylic_acid Forcite GeomOpt 文件夹中的 acrylic_acid.xsd，以及文件夹中的 propylene.xsd。

2. 设置和运行Blends计算

利用Blends模块进行计算的设置非常简单，仅需要定义分子、选择任务和设置计算精度。

单击Modules工具栏上的Blends按钮，然后从下拉列表中选择Calculation。

这将打开Blends Calculation对话框。

第一步是定义输入分子。

在Setup选项卡的Input部分中，单击空的分子Molecule单元格，然后从下拉列表中选择oxyethylene Forcite GeomOpt/oxyethylene.xsd。

输入网格的第一行现在包含分子列中的oxyethylene.xsd，该结构已自动分配为基本Role。在第一个下面添加了一个新的空行。

单击新空行中的分子Molecule单元格，并在acrylic_acid Forcite GeomOpt文件夹中选择acrylic_acid.xsd。对列表第三行中选择propylene Forcite GeomOpt/propylene.xsd重复此操作。

propylene.xsd和acrylic_acid.xsd的Role均被自动分配为Screen。任何role属性为screen的分子都将被筛选出与role属性为base的分子相对应的分子。在本教程中，将获得氧乙烯-丙烯和氧乙烯-丙烯酸混合物的相互作用能。这是一对多筛选计算的示例。

单击oxyethylene的Role列对应单元格。

Role属性选项包括Base+Screen、Base和Screen。如果要计算所有可能的聚合物组合的相互作用能，即聚氧乙烯-聚氧乙烯、聚氧乙烯-聚丙烯、聚氧乙烯-聚丙烯酸、聚丙烯-聚丙烯、聚丙烯-聚丙烯酸和聚丙烯酸-聚丙烯酸，您需要为所有三个输入结构分配一个Base+Screen的role属性。为所有分子选择Base+Screen的role属性将进行多对多筛选计算。

在本教程中，您将运行一对多筛选计算。

将oxyethylene.xsd的Role设置为Base。

下一步是选择计算任务。Blends中有三个任务。

Mixing：执行结合能和配位数计算。预测混合能、相互作用能和chi参数值。
Binding energies：仅计算结合能。可以根据相互作用能进行快速筛选。
Coordination numbers：计算一对分子的配位数。
将任务Task设置为Mixing，然后单击More…按钮。

这将打开Blends Mixing Options对话框，可对混合能量计算参数进行更精细的调整。

在Blends Calculation对话框的Setup选项卡中，将Quality设置为Fine。

选择的计算精度会影响采样的组队数、能量选择宽度和团簇采样。更改计算精度设置时，Blends Mixing Options对话框上的值会相应改变。计算精度设置也会对Energy选项卡的相应参数产生影响，并影响Blends Non-Bond Options对话框中的Non-Bond Options设置。

在Blends Mixing Options对话框中，将Energy samples设置为200000。

通过更改计算精度为Fine时产生的“能量采样数”默认值，计算精度从Fine变为Customized。

在Blends计算中，通过将分子中的特定原子添加到名为NONCONTACT集合中，可以排除它们与其他原子相互作用。如果分子的一部分受到空间位阻，例如重复单元中头部和尾部原子周围的区域，这是有用的。对于重复单元中的头部和尾部原子，选中Blends Mixing Options对话框上的复选框时，将自动创建包含这些原子的集合。

确保选中了Head and tail atoms are non-contact复选框。

注意：如果您希望将两个以上的原子定义为非接触，则应选择原子并将其定义为名称为NONCONTACT的集合。

您还可以要求Blends在3D原子轨迹文档中为每个base和screen组合保存最低能量配置。对于每个这样的组合，Blends将返回三个轨迹文档，其中包含base-base、base-screen,和screen-screen的配置。然后可以进一步分析或优化这些配置。

选中Return lowest energy frames复选框，并将Number of frames更改为50。Close Blends Mixing Options对话框。

在运行Blends计算之前，应更改能量选项，以设置输入分子结构优化的选项。由于已经在上一步中使用QEq计算了电荷，因此可以使用模型中的当前电荷。

在Blends Calculation对话框中，选择Energy选项卡。将Forcefield设置为Dreiding，Charges设置为使用Use current。

最后，设置任务控制选项并更改实时更新频率。

在Job Control选项卡上，选择My Computer作为Gateway location。点击More…按钮打开Blends Job Control Options对话框。选中Update structure复选框，并将Update every更改为2秒。关闭Blends Job Control Options对话框。

现在可以运行计算了。

在Project Explorer中，单击项目根目录。在Blends Calculation对话框中，单击Run按钮并关闭该对话框。

在Project Explorer中会自动创建一个新文件夹oxyethylene Blends Mixing。计算完成后，此文件夹将包含以下文档：

Input：输入结构的文件夹。
Lowest energies：3D轨迹文件的文件夹，其中保存每组base和screen角色的组合的最低能量构型。对于每个这样的组合，Blends返回三个轨迹文件，其中包含base-base、base-screen和screen-screen三种组合对的构型。将忽略任何与现有组合重复的组合对。
oxyethylene – Calculation：Blends计算任务参数设置的.xml文件。单击此文件将打开Blends Calculation对话框，其中包含您为计算设置的参数。
oxyethylene.txt：计算任务运行信息和警告信息的文本文档。
Configurations.xsd：当前正在采样的结构的3D原子文档。随着计算任务的进行，此文件将实时更新。
Energies.xcd：当前正在采样的结构能量变化曲线的图表文档。随着计算任务的进行，此文件将实时更新。
Status.txt：显示运行状态的文本文档。随着计算任务的进行，此文件将实时更新。
oxyethylene.std：Blends模块运行结果的数据表。
3. 分析结果

数据表文件oxyethylene.std为对筛选结果的总结，每行代表一对结构组合的计算。

注意：由于Blends模块计算的特性，结果会有所波动。因此，计算得到的结果完全可能与下面显示的结果不完全匹配。

A列和B列为筛选计算中使用的角色为role和screen分子的结构。列C为一个图表文档，其中包含base-base、base-screen和screen-screen组合的相互作用能曲线图。D列和E列包含chi参数和混合能量的预测值。列F-Q包含相互作用能量的各个分项，并给出了平均值、最小值和最大值。列R-U包含每个角色为role和screen分子组合的配位数。

双击单元格B2打开丙烯单体的数据表详细视图Study Table Detail View。

头部和尾部原子被标记为名为NONCONTACT的非接触基团。

Close详细视图。

研究表中的能量图包含base和screen对的结合能分布。

双击单元格C1和C2中的图表。

两个图表显示了base-base (Ebb)、base-screen (Ebs)和screen-screen (Ess)的结合能分布曲线图。

两个曲线图中的base-base结合能看起来应该相似，因为它们在两种情况下都对应于氧乙烯-氧乙烯组合。然而，screen-screen结合能差异明显。对于丙烯酸的计算结果更类似于氧乙烯。这是一个很好的指标，表明结构将容易混溶。相比之下，丙烯相互作用差距较大，表明混溶性差。

Close两个详细视图。

关于混溶性的下一个指标是χ和Emix值。

检查D列和E列中的值。

χ (chi)值、Emix值接近于零表示混溶性好。χ和Emix值越高，组合对的混溶性越差。这些值验证了从能量分布图得出的结论，即聚氧乙烯将易于与聚丙烯酸混溶，但与聚丙烯较难混溶。

除了得到这些初步结果外，Blends还提供了进一步分析的工具。通过选择数据表中所要研究的的聚合物组合对应的行，并从Blends Analysis对话框中选择分析任务，可以进行结果分析。

在数据表中，选择第1行。从菜单栏中选择Modules | Blends | Analysis以打开Blends Analysis对话框。选择默认分析模式，即Chi parameter后，单击Analyze按钮。

将得到一个图表文档Chi parameter.xcd，显示混合有聚丙烯酸的聚氧乙烯χ值与温度的关系。还可以一次对多个数据表行进行分析。

关闭Chi parameter.xcd，并在提示是否将文件保存在工程的中时单击No按钮。

按住SHIFT键，单击数据表中的第2行。现在应选择了数据表中的两行。在Blends Analysis对话框中，单击Analyze按钮。

这一次，曲线图显示了两个base-screen组合χ值与温度的关系。随着温度升高，这两个图中的值应接近0，但在低温下有所不同。

对于聚合度N相同的聚合物混合物，存在一个临界值χcrit=2/N。在χ高于临界值的温度下，混合物将发生相分离。在相图中，两相中的浓度位于双结点曲线上。您可以使用相图分析获得双结点曲线。计算N=25的相图，使χcrit=0.08。

在Blends Analysis对话框中选择Phase diagram，并将角色为Base和Screen分子的聚合度Degree of polymerization更改为25。单击Analyze按钮。

氧乙烯-丙烯的相图应包含一个临界点，其温度为χ=χcrit=0.08。低于此温度时，体系发生相分离，其浓度由双结点曲线（binodal线）给出。如果浓度和温度在亚稳均相极限线（spinodal线）范围内，相分离是自发的。在双结点曲线和亚稳均相极限线之间，系统是亚稳的；只有远离平衡的过程才能在这种情况下实现相分离。

氧乙烯-丙烯酸的临界点要么不存在，要么比氧乙烯丙烯小得多，表明组分在任何成分下都是可混溶的。如果对于任何温度，χ(T)曲线均低于0.08，则不存在临界点，因此也不存在双结点曲线和亚稳均相极限线。如果曲线两次穿过χcrit，相图在两相区的两侧有两个临界点。

在本教程的最后一部分中，将研究能量最低的构型轨迹，可以仅播放轨迹。

双击文件夹Lowest energies中的oxyethylene acrylic_acid.xtd文件。从菜单栏中选择View | Toolbars | Animation。单击Animation工具栏上的Play按钮。

轨迹中的帧将以很快的速度播放。另一种方法是使用Forcite Analysis对话框来分析轨迹。

在Modules工具栏上，单击Forcite按钮，并从下拉列表中选择Analysis以打开Forcite Analysis对话框。选择View in a study table，然后选中Include structures复选框。单击View按钮。

轨迹以及相关的能量数据将显示在数据表文档中。可以使用数据表工具按能量分项而不是总能量进行排序。

选择E列，van der Waals energy。单击Study Table工具栏上的Sort Ascending按钮

数据表中的行将从顶部开始按van der Waals能量最低的构象排列。

还可以从数据表中提取结构，并将其覆盖在三维原子集合文档中。

选择A列，在其中一个选定单元格中单击鼠标右键，然后从快捷菜单中选择Extract To Collection。将出现一个警告对话框，通知此操作可能需要一些时间。单击OK按钮。

将产生一个新的3D原子集合文件Extracted From oxyethylene acrylic_acid.xod，可以轻松移除NONCONTACT标签。

在集合文件中单击鼠标右键，然后从快捷菜单中选择Label。单击Remove All按钮并关闭Label对话框。

在集合文档中，您应该能够沿着分子的一半找出三个化学键集中的区域。

重复上述步骤，将oxyethylene propylene.xtd提取为集合文件进行查看。

在这种情况下，有两个主要的相互作用位点，它们不像聚(氧乙烯)-聚(丙烯酸)对那样分散在分子周围。

本入门教程到此结束。