Materials Studio官方教程（Help-Tutorials）- 剪切对油滴的影响

背景：新材料的生产通常涉及使用加工条件来影响最终产品的性能。油在水中的分散形成具有大小分布的液滴，可以通过剪切体系来控制。DPD能够在介观水平上模拟剪切，并可视化剪切对体系的影响。

本教程的灵感来源于Clark和Jones等人在DPD方面所做的一些早期工作，研究了油滴的剪切效应。

简介：在本教程中，您将使用 Mesocite 对油水液滴运行 DPD 剪切计算。您将使用mesostructure builder指定初始条件，运行平衡 DPD 计算，然后执行剪切计算并可视化结果。

目的：展示了剪切在DPD中的应用以及对水中油滴形态的影响。

本教程重要节点：

创建输入结构-平衡结构-进行剪切运行

1. 创建输入结构

第一步是建立水和油的介观分子模型。使用DPD时，您可以花时间通过使用分子动力学或其他方法来精确地参数化体系，使用已发布模拟的数据，或者使用您的化学直觉来推导参数并将参数调整到已知体系。由于对油/水体系进行了多项研究，您将使用以前出版物中的参数。

Mesocite DPD模拟的输入需要珠子内容的参数化。对于此模拟，您将使用100 amu的珠子质量的默认参数。由于水分子的质量为18 amu，这意味着一个珠子代表大约5个水分子。由于CH2油基团的质量是14 amu，每个油珠代表大约7个CH2基团的链。

从菜单栏中选择Build | Build Mesostructure | Bead Types以打开Bead Types对话框。

定义以下新的珠子类型: Oil和Water，关闭Bead Types对话框。

注意：珠半径仅用于可视化，对计算没有影响。但是，珠子质量用于DPD模拟。

注意：虽然在DPD计算中，您可能有不同质量的珠子，但这种效果几乎没有得到验证。因此，建议您对所有珠子使用相同的质量。

现在您已经定义了珠子类型，可以创建结构了。

从菜单栏中选择Build | Build Mesostructure | Mesomolecule打开Build Mesomolecule dialog对话框。构建1 个单位Water的介观分子，并将新文档重命名为 water.xsd。

构建一个 1 个单位Oil的介观分子，并将文档重命名为 oil.xsd。关闭Build Mesomolecule对话框。

在继续之前，您可以设置珠子的力场类型。构建介观结构时会保留力场类型，因此现在定义它将在以后节省时间。可以使用属性资源管理器通过选择珠子并编辑力场类型属性来指定力场类型。或者，您可以使用类型按钮，该按钮会将力场类型设置为与 BeadTypeName 相同的值。这是从Mesocite的力场管理器访问的。

从菜单栏中选择Modules | Mesocite | Forcefield Manager打开Mesocite Forcefield Manager.。单击DPD…按钮。

这将打开创建 DPD 力场，使您能够通过以物理单位或简化单位输入排斥相互作用参数来创建 DPD 特定力场。它还使您能够分配力场类型。

在焦点为 oil.xsd 的情况下，单击Type按钮。将焦点更改为 water.xsd，然后单击Type按钮。

关闭Mesocite Forcefield Manager对话框。

您可以忽略当前Create DPD Forcefield对话框中显示的斥力。您将在下一节中正确设置这些设置。

现在您已经构建了组件，您需要构建包含这些介体分子的晶胞。您将构建一个包含油滴的介观结构模板。在本例中，您将使用默认值构建一个100 × 100 × 100的盒子，并放置一个半径为20 Å的液滴成形器。

从菜单栏中选择Build | Build Mesostructure | Mesostructure Template,以打开Build Mesostructure Template对话框。在Filler文本框中，输入water，然后单击Build按钮。

这将创建一个名为Mesostructure Template.msd的新介观文档。您可以从随机起始条件开始计算，也可以定义一个液滴形成器。在这种情况下，您将定义一个液滴成形器。

在Build Mesostructure Template对话框中，将Former type更改为Droplet。将Radius设置为20.0，并在Filler文本框中输入oil。单击Add按钮并关闭对话框。

现在您已经建立了模板，您需要用介体分子填充它。

从菜单栏中选择Build | Build Mesostructure | Mesostructure,打开Build Mesostructure对话框。确保Mesostructure Template.msd处于焦点中。

您需要指定要用作灌装机的组件——您将用水填充 ‘water’ filler，用油填充’oil’ filler。

在water填充物的Mesoscale Molecule列中单击，并选择water.xsd。对油填充物重复此操作，选择oil.xsd。

您还可以控制密度、介观尺度分子的构象和表面堆积能力。在本例中，您将保留它们的默认值。

单击Build按钮并关闭对话框。将新文档重命名为Water_Oil_20rad.xsd。

现在，您已经构建了初始结构。下一步是平衡结构。

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

2. 平衡结构

平衡前的第一步是创建一个DPD力场。您可以选择是在物理单位还是简化单位中设置DPD计算。由于大多数论文仍然引用排斥相互作用的简化单位，您将使用简化单位。

打开Mesocite Forcefield Manager对话框并单击DPD…按钮。

有各种各样的论文引用了油和水珠之间从30到80的相互作用参数。众所周知，油和水是非常排斥的，您将使用50的值。

打开Water_Oil_20rad.xsd.在创建DPD力场对话框中，将Units更改为Reduced。将Repulsions网格中Oil-Water单元格的值设置为50。

单击Create按钮并关闭Mesocite Forcefield Manager对话框。

创建名为Water_Oil_20rad.off的力场文档。这将在DPD计算中使用，并在Mesocite计算对话框中设置为当前力场。

注意：如果要从默认值修改珠子参数（如珠子质量），则还应在创建力场之前设置长度和质量刻度。但是，由于您使用的是默认参数，因此无需更改任何设置。

通常，在处理来自Mesostructure Builder的输出时，建议您在继续DPD运行之前执行简短的几何优化。这样做是为了平衡体系中的键长，但是，由于粒子之间没有键，您可以只运行DPD计算。

从菜单栏中选择Modules | Mesocite | Calculation。从Task下拉列表中选择DPD，然后单击More…按钮打开Mesocite DPD对话框。

您应该增加步数，这样您就可以看到水滴有多稳定。

在Mesocite DPD对话框中，将Number of STEPS更改为10000，将Frame output every更改为1000步。关闭Mesocite DPD对话框。

由于DPD中使用的势是有限范围的软调和势，所以还可以通过改变范德华非键截止距离来减少计算时间。同样，您应该将它设置为长度刻度的值。如果保留默认值，计算时间会增加，但没有好处。

使Water_Oil_20rad.xsd成为活动文档。

选择Energy选项卡，然后单击Summation method部分的More…按钮，用于打开Mesocite Non-Bond Options对话框。

将Cutoff distance设置为8.0，将Spline width设置为0 Å。关闭对话框。

在Energy选项卡上，您还应该看到Forcefield设置为\Water_Oil_20rad。

您现在已经准备好执行DPD平衡运行。

在Mesocite Calculation对话框中，单击Run按钮并关闭对话框。

计算将需要几分钟才能完成。计算完成后，您可以制作轨迹动画，以查看粒子在长方体中的移动情况。您应该将Lattice Display Style设定为In-Cell,以将珠子保留在单元格中。

将焦点更改为Water_Oil_20rad.xtd。右键单击并从快捷菜单中选择Display Style,打开显示样式对话框。在Lattice选项卡上，将Style更改为In-Cell。

按住ALT键并double-click其中一个Water珠。在Display Style对话框的Bead选项卡上，选择None。关闭对话框。

您还应该设置轨迹的动画选项，以便更新原子位置，动画在最后一帧停止。

单击Animation Mode按钮，并选择Stop At End。单击Animation Mode按钮并选择Options以打开Animation Options对话框。

选中Recalculate atom visibility every frame复选框并关闭对话框。单击Play按钮。

您会看到灰色的油滴在溶剂中四处移动。您也可以使用等值面来显示珠子的位置。

从菜单栏中选择Modules | Mesocite | Analysis，打开Mesocite分析对话框。选择Density field选项。

创建密度场有多个选项，包括为一组珠子定义密度场以及场分辨率。但是，您将使用默认值。

按住ALT键并double-click其中一个Oil。

单击Analyze按钮并关闭对话框。

创建了一个新的轨迹，命名为Water_Oil_20rad Mesocite Density Field.xtd。这包含一个密度场和它各自的等值面。可以通过设置轨迹动画来可视化密度场。在制作动画之前，应该更改显示选项，以便渲染等值面。

在Water _ Oil _ 20 rad meso cite Density field . xtd中单击鼠标右键，然后从快捷菜单中选择Display Options。取消选中Fast render on move复选框并关闭对话框。在动画工具栏上，单击Play按钮。

动画应该播放，您应该看到油滴在盒子周围移动。

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

3. 进行剪切运行

平衡运行表明，初始相互作用参数给出了油和溶剂之间的合理相互作用，因为油通过模拟保留在液滴中。现在，您将使用剪切功能在结构上施加剪切力。您将重新开始计算，但不会附加轨迹。

确保轨迹Water_Oil_20rad.xtd是活动文档。

打开Mesocite Calculation对话框，并选中Setup选项卡上的Restart复选框。

您将再跑10，000步，但这一次打开剪切功能。

点击More…按钮打开Mesocite DPD对话框。选中Enable shearing复选框，并将Shear rate设置为0.1简化单位。关闭对话框。

您对剪切方向的控制有限。对于此计算，它并不那么重要，因为您只是剪切液滴，因此您可以将其保留为默认值。

现在可以运行计算了。

单击Run按钮，然后单击警告对话框中的Yes按钮。关闭Mesocite Calculation对话框。

计算将需要几分钟才能完成。完成后，您可以执行与之前相同的可视化分析。

按住 ALT 键并double-click其中一个Oil。

在Mesocite Analysis对话框中，选中Exclude analyzed objects in output复选框，然后单击Analyze按钮。关闭对话框。

您应该看到，在初始剪切下，油滴拉伸但不破裂。您可以使用更高的剪切速率重复计算，例如使用减少单位为 0.30，您应该会看到油滴断裂。

注意：DPD中的剪切通过变形和重新设置单元参数来物理剪切单元。如果选择更频繁地写入帧，则会看到单元格变形。在本例中，如果每隔250步写入一帧，则会看到变形。

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

参考文献

Clark, A. T.; Lal, M.; Ruddock, J. N.; Warren, P. B.; “Mesoscopic Simulation of Drops in Gravitational and Shear Fields.” Langmuir, 16, 6342-6350, (2000)

Jones, J. L.; Lal, M.; Ruddock, J. N.; Spenley, N. A.; “Dynamics of a drop at a liquid/solid interface in simple shear fields : A mesoscopic simulation study.”, Faraday Discussions, 112, 129-142 (1999).

本入门教程到此结束。