Materials Studio官方教程（Help-Tutorials）- 将分子填充到现有的结构中

背景：Amorphous Cell模块能够构建无定形聚合物和其他无定形材料的3D周期盒。然而，它也可以用作一种快速方法来填充预先存在的结构，例如具有小分子或聚合物的纳米团簇。填充任务也可以用来构建非正交的无定形单元，方法是允许您填充到一个空单元中。

简介：在本教程中，您将在盒子中构建一个碳纳米管，然后用水填充纳米管。使用相同的纳米管结构，您将使用场偏析将二茂铁填充到纳米管中，并在纳米管的外部周围填充聚合物。这种体系作为纳米管导体具有潜在的商业应用。

目的：演示如何使用Amorphous Cell将分子填充到现有结构中

本教程重要节点：

创建纳米管-用水填充纳米管-构建结构和等值面-填充封闭等值面体积

1. 创建纳米管

第一步是使用Nanotube building构建碳纳米管。

采用 Nanotube building工具构建一个碳纳米管。

从菜单栏中选择 Build|Build Nanostructure|Single-Wall Nanotube打开 Build Single-Wall Nanotube对话框。将 N变为 12，点击 Build按钮，关闭对话框。

选择 Build|Symmetry|Supercell打开 Supercell对话框，将 C值变为 2，点击 Create Supercell按钮，关闭对话框。

创建了一个周期结构的纳米管。下面需要部分空间用来填充聚合物，所以需要增加盒子的尺寸，同时保持纳米管的位置固定。

右击 3D显示栏打开 Lattice Parameters对话框，在 Advanced栏中不选择 Keep fractional coordinates fixed during changes to the lattice选项，在 parameters栏中将 A和 B长度改为31.55，关闭对话框。

您应该有一个类似于下面的结构。

您将使用这个结构两次，所以您应该复制它。

选择File | Save As…以打开“另存为”对话框。将File name设置为 SWNT_water.xsd，然后单击Save按钮。重复此操作，将第二个副本命名为 SWNT_polymerFe.xsd。

现在您可以用水填充第一个纳米管了。

2. 用水填充纳米管

用水填充碳纳米管之前，需要先画一个水分子。

打开一个新的 3D Atomistic document重命名为 water.xsd，用画图工具画一个水分子。

下面用水分子填充碳纳米管。

打开 SWNT_water.xsd。选择 Modules | Amorphous Cell | Calculation打开 Amorphous Cell Calculation对话框。

Packing任务用来在存在的结构中填充分子。

将 Task改为 Packing。

针对 Packing任务，根据其摩尔比明确体系的组分比，这能够填充不同组分的分子。但是，本次教程仅仅需要填充水分子。

在 Composition栏中,点击 Molecule列选择 water.xsd。

您可以设置填充结构的密度。请注意，这是可用于填充的体积内所有原子的密度，可能包括也可能不包括框架原子。在本教程中，您将探索如何控制填充体积。

Option选项允许构建多重构象，这将会使得构建过程可以预览，但是，本教程仅仅建立了一个结构。

点击 Options…按钮打开 Amorphous Cell Options对话框。

在此对话框中，可以控制如何定义扭矩、构建步骤以及是否在计算中使用能量。对于这个小分子，您可以关掉能量来构建，然后用一个成比例的范德瓦尔斯半径来填充。这大大提高了填充任务的速度。然而，如果您用能量建造并优化几何形状，您会得到一个更好的结构。在本教程中，您将使用默认设置。

关闭 Amorphous Cell Options对话框。在 Setup栏中，点击 More…按钮，打开 Amorphous Cell Packing对话框。

可以选择是否填充等值面封闭体。如果您填充到一个没有等值面的结构中，您在无定形单元计算对话框中指定的密度将是单元的总密度。如果填充到等值面中，非晶单元计算对话框上的密度就是要填充的体积的密度。您将进行两次打包计算，一次有等值面，一次没有等值面，这样您就能看出区别。最初，您只是将没有等值面的结构填充。

关闭 Amorphous Cell Packing对话框，选择 Energy栏。

可以选择建立结构时的力场和能量设置。本教程中，均采用默认值。

点击 Run按钮。

一个新的名为 SWNT_water AmorphousCell Packing的文件夹将会产生。里面包含一个名为 input的文件夹，复制了输入的结构文件。当计算结束，最终的结构名称为 SWNT_water Results.xtd。

将 SWNT_water Results.xtd设为当前文件。

将会发现在纳米管的内外均被水分子所覆盖。

观察 SWNT_water.txt文件，向下滚动到Amorphous Cell calculation计算部分。

在这将会观察到组分和其载荷，将会发现 426个水分子填充在盒子内。

将SWNT_water.xtd活动文档，并在Properties Explorer中将Filter更改为Symmetry System。

在 Properties Explorer,将 Filter改为 Symmetry。将会发现密度为 1.0 g cm-3,这个数值是在 Amorphous Cell Calculation对话框中设定的数值。下面在等值面内填充然后观察其区别。下面在 Connolly surface上填充分子。

设置 SWNT_water.xsd为活性文件，采用 工具栏中Atom volumes and Surfaces创建一个Connolly surface。

等值面描述的是原子被占据的体积，如果尝试在此等值面上填充，将会发现计算终止为一个错误：” isosurface enclosed volume中的密度比要求的密度大”为了使得在 connollysurface填充，需要插入等值面的定义。可以采用 Display Style对话框达到目的。

选择等值面，右击显示栏，选择 Display Style，打开 Display Style对话框。在 Isosurface栏中，选中 High values inside然后关闭对话框。

下面可以在等值面内填充。

提示：如果采用 MaterialsScript，将会使用 HasFlippedNormals来控制等值面的定义。

在 Amorphous Cell Calculation对话框，点击 Task中的 More…按钮打开 Amorphous Cell Packing对话框，选择 Pack in isosurface enclosed volume，然后关闭对话框。点击 Run按钮。

当计算结束后,可以检查密度和载荷。

打开 SWNT_water.txt文件。

将会发现水分子的载荷为 558个水分子。

将SWNT_water.xtd活动文档，并在Properties Explorer中将Filter更改为Symmetry System。

在 Properties Explorer中,将 Filter改为 Symmetry。单胞的总密度设置为 1.2 g cm-3。

选择 File|Save Project然后点击 Windows|Close All。

3. 构建结构和等值面

在填充创建的第二个纳米管时，需要画一个二茂铁结构来填充在纳米管内部，一个聚合物结构填充在纳米管外部。

打开一个新的 3D Atomistic Document重命名为 ferrocene.xsd。使用Fragment工具创建一个二茂铁结构。

提示：Sketching organometallic structures教程描述了如何画一个金属茂结构。

下面需要构建一个聚合物结构。本教程中需要构建一个 5摩尔聚环氧乙烯。

采用 Homopolymer building工具从 Oxides library中创建一个 5摩尔聚环氧乙烯，重命名为 peo5.xsd。

下面需要采用 fields和 isosurfaces来表明希望填充的位置，为了创造初始的区域，需要采用 Connolly surfaces。

设置 SWNT_polymerFe.xsd为活性文件，创建一个 Connolly surface。然后点击 Create Segregates按钮 ，点击 Volumetric Selection按钮 ，打开 Volumetric Selection对话框，选择两个 Segregates。点击 Create Isosurfaces按钮 。在 Volumetric Selection对话框中，uncheck Connolly Surface，Segregate1和 Segregate 2。

提示：Field segregation and analysis教程中描述了怎样获得一个 Connolly surface。

现在将会在 SWNT_polymerFe.xsd中产生一个蓝色和绿色的区域。

注意：由于分离的等值面显示了自由空间的体积，所以您不必像对康诺利曲面那样反转等值面。

填充二茂铁于蓝色的等值面体积内，聚合物于绿色的等值面范围内。

4. 填充封闭等值面体积

最后的步骤是在两个等值面封闭的体积内采用两次 packing计算进行填充。首先填充二茂铁(顺序并不重要)。但是，将会填充在显示的等值面内，因此，需要确保仅仅 Segregate 2是可显示的。

确保 SWNT_polymerFe.xsd为活性文件，在 Volumetric Selection对话框中，取消选择Segregate 1 -> Isosurface1。

打开 Amorphous Cell Calculation对话框，将 Composition设置为 ferrocene。设置Density为0.9。然后点击 More…按钮，选中 Pack in isosurface enclosed volume。

其它选项为体系默认值。

点击 Run按钮。

当工作结束后，将会产生一个二茂铁填充纳米管核内部的 3D原子轨迹。

将 SWNT_polymerFe AC Packing/SWNT_polymerFe.xtd设为活性文件。

在 Volumetric Selection对话框，取消选择 Segregate 2 -> Isosurface1，然后选中 Segregate1 -> Isosurface1。

您现在应该看到蓝色等值面变得不可见，绿色等值面再次可见。这一次，您将构建到上一个计算的输出轨迹中。

注意：如果做一个类似此教程的多级的填充，首先需要在第一次填充前设置得到一多重的构象，第二次填充将会仅仅填充在当前的构象上，并不是所有的轨迹文件。

在 Amorphous Cell Calculation对话框 Setup栏中，将 Composition设定为 peo5，Density为0.85，点击 Run按钮。

当工作结束后，会产生一个二茂铁填充纳米管内，同时纳米管之间采用聚合物填充。

本入门教程到此结束。