Materials Studio官方教程（Help-Tutorials）- 颜料红晶体表面缓蚀剂吸附模拟

背景：晶体的整体形状对许多工业过程至关重要。在化学和制药工业中，晶体形状是一个重要因素，这方面的例子不胜枚举，包括:

化学品的溶解速率和药物的生物有效性
晶体产品的搬运、包装和储存
加工过程中的泥浆处理、结块和过滤
铣削、研磨、破碎和除尘
密度和纹理优化
石化产品中蜡和垢的形成
因此，化学家、化学工程师和工艺工程师对晶体形态和晶体中原子内部排列之间的关系非常感兴趣。这种关系的合理化允许预测晶体形状，开发定制的添加剂，以及控制溶剂和杂质的影响。因此，添加剂对晶体生长和最终形态的影响是人们非常感兴趣的。Adsorption Locator可以模拟添加剂在晶面上的吸附，从而提供吸附的能量学及其对晶体生长的影响。

简介：颜料红(1，4-二酮吡咯并(3，4-c)吡咯的二苯基衍生物，DPP)是一种高质量的杂环颜料，具有良好的热稳定性、高着色强度和遮盖力，以及优异的耐光性和耐候性。通过在制造过程中控制颗粒尺寸，它可以被制成透明或不透明的颜色。

在本教程中，您将研究表面上官能团之间的距离，结果表明，氨基酸衍生物可以作为生长抑制剂，减缓快速生长晶面的生长速度。将使用Adsorption Locator模块和COMPASS力场对该添加剂与一个快速生长晶面的结合进行建模。

目的：说明如何计算结合能，以便使用Adsorption Locator评估添加剂的潜力。

本教程重要节点：

准备晶体表面

创造一种添加剂

研究表面和添加剂之间的相互作用

1. 准备晶体表面

在项目资源管理器中，右键单击项目根并选择Import…以打开导入文档对话框。导航到Examples/Documents/3D Model,，选择pigment_red_010.xsd，单击Open按钮。

在本节中，您将从（0 1 0）颜料红表面构建一个板（具有真空区域的表面）。通过使用大于表面厚度的重复距离在给定方向上重复表面来构造晶体。这在表面块之间引入了真空区域。表面需要足够大，以容纳正在研究的特定抑制剂。

从菜单栏中选择Build | Symmetry | Supercell以打开Supercell对话框。将Supercell范围增加到U为4，V为6。单击创建Supercell按钮并close对话框。

这将显示放大的曲面。现在可以从二维曲面模型构建三维模型。

从菜单栏选择Build | Crystals | Build Vacuum Slab…打开建立真空板晶体对话框。在Vacuum Slab选项卡上，将Vacuum thickness更改为50 Å，然后单击Build按钮。

单击3D Viewer工具条上的Display Style按钮显示样式打开显示样式对话框。在Lattice选项卡上，将C的Max设定为2.00。

真空沿 c 轴定向。

在本教程的后面部分，您将向表面添加添加剂。由于周期性边界条件，添加剂可能与两个表面相互作用。因此，您在表面上方添加了一个大的真空区域，以便添加剂只能与其中一个表面相互作用。在这种情况下，（0 1 0）表面的厚度约为20 Å，因此真空区域厚度为50 Å就足够了。

将C的Max设置回1.00并close显示样式对话框。

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

2. 创造一种添加剂

本教程中使用的抑制剂2-苯基甘氨酸是一种氨基酸衍生物，以两性离子形式存在。

单击New箭头新建，并从下拉列表中选择3D Atomistic Document。在项目浏览器中，右键单击3D Atomistic.xsd并从快捷菜单中选择Rename。将文档的名称更改为inhibitor.xsd。

使用工具栏上Sketch工具构建2-苯基甘氨酸分子(如下所示)，然后使用Clean工具。

现在，您将使用 Forcite 和 COMPASS 力场优化抑制剂的分子结构。

从菜单栏中选择Modules | Forcite | Calculation以打开Forcite计算对话框。

从Task下拉列表中选择Geometry Optimization。在Energy选项卡上，将Forcefield设置为COMPASS。将两种Summation methods都设置为Atom Based。

在Job Control上，选择My Computer作为Gateway location，然后单击Run按钮。

在项目资源管理器中创建一个名为inhibitor Forcite GeomOpt的新文件夹。计算应不到一分钟即可完成。计算完成后，最小化的结构将作为 inhibitor.xsd 保存在新文件夹中，并显示在“材料展示台”中。

从菜单栏中选择File | Save Project并关闭所有打开的文档。

3. 研究表面和添加剂之间的相互作用

现在您已经构建了颜料红（0 1 0）表面的3D板并优化了抑制剂的结构，您将在表面上放置抑制剂。

在项目浏览器中，双击pigment_red_010.xsd。

您将运行吸附计算以探索表面上抑制剂分子的可能结合位点和取向，然后对晶体表面上的抑制剂分子进行几何优化，以获得全局最小能取向。

从菜单栏中选择Modules | Adsorption Locator | Calculation以显示Adsorption Locator计算对话框。

在Setup选项卡上，从Task下拉列表中选择Simulated annealing。选择优化的inhibitor.xsd作为Adsorbate，并将Quality设置为Coarse。

在Energy选项卡上，将Forcefield设置为COMPASS。将Summation methods都设置为Atom Based。

注意：Ewald求和法对于非键能计算更准确，但它也需要大量的CPU时间。在本教程中，您将使用基于Atom的求和方法和粗略质量来加快计算速度。

您可以通过多种方式限制采样中使用的搜索空间。在本教程中，您将把搜索定义为表面上氢键供体和受体的 10 Å 以内。

在Location选项卡上，选中Surface region defined by atom set复选框。

表面上的氢键部分必须定义为可能发生潜在抑制剂吸附的位置。

旋转并放大pigment_red_010.xsd其中一个晶体层的表面。

按住Q +SHIFT键并套索分子顶层中的所有amide基团。

在Adsorption Locator Calculation对话框的Location选项卡上，单击Add selected atoms to TargetAtoms set按钮。选中Set maximum adsorption distance复选框并输入值10.0。

单击Run按钮并关闭对话框。

在Project Explorer中创建了一个名为pigment_red_010吸附退火的新文件夹。计算可能需要一些时间才能完成，具体取决于计算机处理器的速度。

随着计算的运行，包含各种能量贡献的图表被更新。文本文档Status.txt报告计算时间和迄今为止完成的步骤数。计算完成后，结果将在pigment_red_010.xsd文档中呈现。

您应该等到工作完成后再继续。完成后，会返回一个研究表，其中包含许多低能量配置，以及每个配置的能量特性。

打开研究表 pigment_red_010.std，然后双击第一行中的结构。

抑制剂与表面酰胺基团之间的相互作用可以通过显示氢键模式来观察。

单击Calculate Hydrogen Bonds

您的结果可能与下图略有不同。

第三列吸附能量包含与吸附最相关的能量参数。它由两部分组成:将吸附物以其输入构象吸附到表面上的能量，列在D列中，以及由于吸附物在表面存在下的松弛而产生的小变形能，列在e列中。第二列，总能量包含吸附能加上吸附物的内能。不包括框架的能量。最后一列F是微分吸附能，它是除去特定组分的吸着物的能量。由于在这种情况下只有1个分子和1个组分，这与c列相同。

(0 1 0)面的附着能先前已经计算为大约-27千卡/摩尔。如果您希望使用Materials Studio获得这种能量，形态学模块的颜料红形态学预测教程中的程序详细描述了这些步骤。

你应该发现，对于(0 1 0)面，吸附定位器计算的吸附能比附着能更负。因此，2-苯基甘氨酸是抑制颜料红晶体的快速生长(0-1-0)面生长的良好候选物，从而产生更等轴的晶体形态。

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

参考文献

Hartman, P.; Perdok, W. Acta Crystallogr., 8, 521 (1955).

Bennema, P. J. Cryst. Growth, 166, 17 (1996).

本入门教程到此结束。