Materials Studio官方教程（Help-Tutorials）- 颜料红的形态预测

背景：Morphology允许您从晶体的原子结构预测晶体形态。晶体的体积形状对许多工业过程至关重要。在化学和制药行业，晶体形状是一个重要因素的过程有许多例子，包括：

化学物质的溶出率和药物的生物有效性
晶体产品的处理、包装和储存
加工过程中的浆料处理、结块和过滤
铣削、研磨、破碎和除尘
密度和纹理优化
石油化工中的蜡和水垢形成
因此，晶体形态与晶体中原子的内部排列之间的关系引起了化学家、化学工程师和工艺工程师的极大兴趣。这种关系的合理化允许预测晶体形状，开发量身定制的添加剂，以及控制溶剂和杂质效应。Morphology的应用领域包括制药、农用化学品、食品科学、石化产品、水泥以及商品和特种化学品。

简介：本教程演示了计算化学方法为导出分子晶体的形态提供了强大的手段，并允许您使用图形可视化来检查晶体表面的分子景观。

颜料红（1，4-二酮吡咯并（3，4-c）吡咯的二苯基衍生物，DPP）是一种高品质的杂环颜料，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大小，它可以制成透明或不透明的颜色。

为了优化某些物理化学性质，例如阴影，人们认为将晶体的形态从板状习性更改为更等距的形状可能是有益的。

在本教程中，颜料红的晶体形态将使用Morphology模块来确定。

目的：说明如何使用Morphology从晶体的原子结构预测晶体形态

本教程重要节点：

加载并优化颜料红的晶体结构-设置和运行Morphology-分析Morphology结果

1. 加载并优化颜料红的晶体结构

从菜单栏中选择File | Import，一个导入文件的对话框被打开。浏览并选找到Structure/molecular-crystals/pigments/pigment_red.msi，点击Open打开它。

现在要用Forcite模块和COMPASS力场来对颜料红的结构进行优化，第一步优化分子，包括优化晶胞。

在Modules工具条内，点击Forcite按钮，从下拉菜单中选择Calculation。在Setup菜单内从Task的下拉选项中选择Gepmetry Optimization，并将Quality设置为Medium。

在Energy菜单内，将Forcifiled设置为COMPASS，同时把两个Summation method都设置为Ewald。

在Job Control条目内，选择My Computer作为Gateway location。点击More…按钮打开Forcite的Job Control Options对话栏。确保structure, graphs和textual results的Live updates复选框都被选中。

点击Run按钮。

一个名为pigment_red Forcite GeomOpt的文件夹被创建。该计算任务将花费几分钟才结束。当计算结束后，能量最小化后的结构被保存在新文件夹内。现在要把晶胞参数包括在做第二次优化。

确定优化后的结构是当前激活的文件。点击Forcie Calculation的Setup对话框上的More…按钮，打开Forcite Geometry Optimization对话框。勾选上Optimize Cell选项。

点击Run并关闭对话框。

比较优化后结构与实验获得的晶胞参数数值，确保它们之间没有剧烈差异，这表明所选择的力场是适合当前结构的。

注意：在开始形态学计算之前，选择合适的能量表达式并验证其能够描述晶体几何形状以及形成晶体的分子的构型是非常重要的。其次，必须使用相同的能量表达式来优化输入晶体结构的几何形状。这应包括晶胞参数的优化。

提示：COMPASS力场已经用非零力场电荷参数化，改进了对化学键的描述。由于在定义力场的时候电荷已经被指定，所以一般来说，计算中采用力场赋予的电荷默认值即可，而不必手动调整。

2. 设置和运行Morphology

在这个章节，将使用Morphology中的形貌生长方法来计算颜料红的晶体形貌。形貌生长方法假定晶体表面的生长速率与它的吸附能成比例—所谓吸附能是指真空条件下生长层附着在晶体的生长面上释放出来的势能。这个方法可以模拟在非平衡生长条件下晶体的形貌。

选择File|Save Project，除了pigment_red Forcite GeomOpt/pigment_red Forcite GeomOpt文件夹内的pigment_red.xsd文件，关闭其他所有打开的文件。

点击Module菜单上的Morphology按钮，选择下拉菜单中的Calculation。

在Setup菜单上，将计算任务Task改为Growth Morphology。将计算精度Quality设置为Medium，将Energy计算菜单设置为Forcite。

Quality选项提供快速、一键式的可获得整套参数设置的选择方法来控制模拟计算的速度和精度。在执行实际计算任务时，一般需要把精度设置为Fine或者Ultra Fine。在本教程中，为避免计算时间过长，只需要把精度水平设置在Medium。

在Morpholoy计算过程中，Energy控制方法允许调用所需的不同力场。根据Energy菜单的设置，Forcite选项使用Forcite能量服务器计算相互作用能。

确认Setup菜单上的Surface Structures设置为Stable Surfaces。

这个选项设定的参数用来决定哪些表面的结果在最后计算结果文件中显示、是否生成表面结构文件等。Stable Surfaces选项控制结果中只输出那些最稳定表面的数据并产生其结构文件。

在Energy菜单上，将Forcefield改为COMPASS。

将Quality设置为Medium, 如前面在Setup选项卡上指定的那样。

注意：因为诸如COMPASS、CVFF和PCFF等力场都包含自身的电荷，所以这里就使用力场指定的默认电荷设置。对另外一些力场来说，如Dreiding和Universal，默认参数设置时Use Current Charges。在这些情况下，需要保证所有Morphology的计算任务都是使用相同的电荷参数，就如它们在做几何优化时使用的电荷参数一样。

注意：此处和Faces选项卡上的Quality设置从Setup选项卡上为整体计算选择的质量级别传播。因此，更改这些其他质量设置将导致整体计算的质量级别设置为Customized。

在Faces菜单上，将Quality设置为Medium。

注意：一般来说，提高Quality设置将会增加计算时间。通常，在确保用于建立晶体外形的所有的生长面都被包括在计算内的时候，把精度设为Coarse或者Medium已经足够。

Quality参数设置用于控制所列生长面的伸展—这些生长面由Morphology计算生成。生长面列表的生成由下属三个变量控制：

最小dhkl—在列表上晶面的最小晶面距
最大h,k,l—列表上晶面的Miller指数绝对值必须小于或者等于这些指定值
最大数目—列表上晶面的最大数目。当添加到列表中晶面的数目达到该数值后，将停止产生新的晶面，即使还有其他满足条件和标准的晶面等待加入列表。
注意：根据Donnay-Harker规则，只有那些更高阶的弥勒指数才会出现在形貌表面上。此时，如果初始的弥勒指数满足最大hkl标准，相对而言更高阶的弥勒指数面将被添加到列表中，即使它们与所用标准冲突。

在Job Control菜单上，在Gateway Location中选择My Computer。

点击Run按钮，关闭对话框以及pigment_red.xsd三维结构模型。

Job浏览器会即时更新计算进程。一段时间后，会产生一个名为Status.txt的文本文件。这个文件会隔一段时间自动更新，它包含了下述信息：

计算任务正在被执行、运行
生长面的总数及正在处理的晶面数量
处理完毕的生长面性质，比如弥勒指数、多重度、Dhkl、附着能和心面距等
一旦计算任务开始运行，在任务管理浏览器内将会产生一个名为pigment_red Mph Growth的文件。本计算任务设定的参数将自动保存在名为pigment_red – Calculation的文件内。产生的另一个文本文件名为pigment_red.txt，但是没有在Visualizer中打开。一开始pigment_red.txt就包含了所有的计算参数。在计算过程中如果有任何非严重错误时将不断更新。

等待计算结束再进行下一步。

3. 分析Morphology结果

本节将分析Morphology的输出结果。

一旦计算结束，有两个文件自动显示出来：一个是Morphology计算结束报告文件，pigment_red.txt—它包含了所有的计算输入参数设置和对计算结果的小结。

注意：检查这个文件中关于那些非稳定表面的报告非常重要。如果发现有非稳定表面，计算将继续执行到下一个晶面。绝大多数情况下，非稳定表面的产生是因为晶体结构没有使用现行参数设置进行优化。所以，强烈建议把对晶体结构使用相同参数设置做优化当作整个计算任务重要的一步而不能省略。

关闭pigment_red.txt。

Morphology计算的主要结果是一个3D文件(称为晶体惯态文件)—pigment_red.xsd。它包含输入晶体结构单胞-该单胞上还重叠有计算得到的形貌轨迹；数据表格文件pigment_red.std则提供了每一个生长面的详细性质。计算一结束pigment_red.xsd就自动显示在Visualizer中。

可以先查看晶体惯态文件。

关闭Status.txt，激活pigment_red.xsd文件。使用3DViewer工具检查惯态文件。

根据原子尺度的数据可以控制惯态数据的相对尺度，主要是因为这两套数据是在不同的坐标系统里定义。

在pigment_red.xsd中单击鼠标右键，选择Display Style打开其对话栏。

在Habit菜单上，将Habit size改为0.500，按下TAB键。重复该操作将Habit size改为1.000。或者，也可以使用Spin控制来改变二者的相对尺寸。

将Habit尺寸设置得越大，相对于输入晶体结构计算得到的晶体惯态的尺寸就越大。

从左到右移动Transparency的滑标然后再将它移回到默认的中间位置。

惯态面的透明度将从最左侧的完全不透明变化到最右侧的完全透明不可见。

取消勾选Show Facet选项，然后再选上。

这个选项控制晶体惯态面的显示与否。选择一个或多个面，然后消除选择Show Facet，从而可以选择性地显示特定面。

为让晶体惯态更易见，可以让晶体结构不被显示。

在Lattice菜单中，将Display style中的Style改为None。关闭对话框。

晶体惯态表示法中包含了两个重要的目的—生长面和惯态面：

l  生长面—展现了所有包含在Morphology计算中的慢速生长晶面。生长面由法向箭头指向的对应平面表示，默认的参数设置不显示生长面

l  惯态面—惯态面形成晶体的外部形貌。惯态面从生长面建立而来，它内涵包围生长点的最小体积。每一个惯态面都和生长面相关。然而，反之却不一定正确。惯态面由实心面表示，默认参数设置显示惯态面

在pigment_red.xsd中单击鼠标右键，选择Label打开其对话框。

从Object type下拉菜单中选择Habit Facet，选择Facet Miller Index。点击Apply按钮并close对话框。

惯态面现在和Miller指数一起被标注出来。

打开Morphology Calculation对话框。在Setup对话栏上，将Task选项改为Report Habit Properties。点击Run并关闭对话框。

产生一个网格文件-pigment_red.xgd，它对惯态面的重要性质以表格的形式总结出来。该网格文件包含三个方面内容：

Summary—包含了惯态面的重要性质，比如点群、纵横比(最长径和最短径的比)、表面积、体积、对称特征面的数目、惯态面的总数
Facet—列出了惯态面所有的对称特征面，及Miller指数—表示相关面的对称性、对称多重度、心面具、单个面的面积及百分比、所有对称相关面的总面积及总百分比
Angles—列出了面之间的夹角
提示：该网格文件可以输出为.csv格式的文件，并用Microsoft Excel打开、编辑。

观察颜料红的晶体形貌计算，可以发现生长最慢的(001)面占据了所有晶体表面的百分数超过了70%。纵横比显示它是一个平面状的外形。如果对生长迅速的(010)和(1-10)面加以限制，则可以生长成一个更加各向同性的晶体外形。

关闭pigment_red.xgd，点击Yes保存文件。

激活pigment_red..xsd文件，选择(010)惯态面，打开Display Style对话框。

在Habit菜单栏，点击Facet color选择器，从中选择一种颜色，点击OK按钮。点击一次pigment_red.xsd取消所有选择。

对(1-10)惯态面重复上述操作。

注意：当对生长面着色时，并没有考虑对称性，这使得单独建立颜色对称性相关面是可能的。

按下SHIFT键不放，点击(010)晶面，然后是(1-10)惯态面。

(010)和(1-10)面着上黄色，表明它们被选中。

在Display Style对话框的Habit菜单上，选上Show Growth Faces选框。

(010)和(1-10)生长面以法向箭头指向的平面表示。

可以将Display Style的Arrow size设为0.35，并关闭对话框。

Size参数设置用来控制代表生长面的箭头的尺寸，它的默认值是0.10。

注意：ShowFacets，Show Growth Faces以及Size等用来控制体系的对称性。所以，如果一个惯态面或者生长面通过这些控制调节后是可见的，则所有对称性等价的惯态面或生长面将受到同样的影响或控制。

按下SHIFT和ALT键不放，右击鼠标，从右到左然后向上拖拽鼠标，来改变心面距(生长速率)。

当移动目标时，惯态面相应地变化、更新。如果移动惯态面、提高心面距至某一点，该点位惯态面的一部分，惯态面将消失。同样地，如果减小某个生长面的心面距以至为惯态面的一部分时，惯态面会自动被创建，并与生长面相关。

继续控制(010)和(1-10)的心面距，直到得到一个更加各向同性的外形。现在可以看到修饰后的晶体惯态的生长面的心面距数值。

打开Morphology Calculation对话框，在Setup菜单上，将Task设置为Report habit properties，点击Run然后关闭对话框。

一个新的网格文件产生-pigment_red.xgd。

关闭pigment_red.xsd，点击No按钮不要保存文件。

在任务管理浏览器内，双击pigment_red Mph Growth文件夹内的pigment_red.xgd文件，选择Windows|Tile Vertically，这样可以同时看到两个网格文件。

在Facet菜单栏内，对比pigment_red.xgd 和 pigment_red （2）.xgd 中 （0 1 0） 和 （1 -1 0） 的距离。

对其他感兴趣的生长面做同样的处理。检查完晶体惯态文件后，现在可以分析每一个生长平面的表面性质。

选择File|Save Project，然后选择Window | Close All。保存计算任务。在任务管理浏览器内，双击pigment_red Mph Growth 文件夹内的pigment_red.std文件。

研究表格为每一个生长面的性质提供了一份详细的表格形式数据，包含了Miller指数，多重度，面间距，表面积，原子尺度表面结构，附着能(Eatt)和非键成分，心面距，总面积及其百分比。

对晶体惯态文件作简单改变以交互式研究晶体的形貌对生长速率的依赖性，还可以通过手动编辑数据表中的心面距来达到相同的效果。

现在可以在同一幅图景中看到Miller指数，原子尺度表面结构以及每一个生长面的心面距。

双击(010)面对应的Distance，将它改为10，再按下TAB键，对(1-10)面重复此操作。

通过点击数据列的标题选中整个A列。按下CTRL键，然后点击J列。

打开Morphology Calculation对话框，将Task改为Generate Habit。点击Run然后关闭对话框。

这样得到一个更加各向同性的晶体外形。

提示：study table 这种架构提供强大功能，帮助使用者来进行数据归类、过滤、处理或者作图，甚至计算更多其他性质。

激活pigment_red.xsd文件，选择File|Save As…以打开Save As对话框。输入pigment_red_isometric，点击OK。

选择Windows|Close All关闭所有对话，点击No to All不保存所做改变。

原子尺度表面模型也被植入在数据表zhog，可以被单独察看。比如对(010)面进行操作。

在任务管理浏览器内，双击pigment_red.std，打开。双击E列中的Surface(010)就能看到该面的三维结构。

眼可以进一步察看该表面的细节。在此阶段，提高表面模型的厚度是非常有用的。

选择Build|Surfaces|Recleave Surface，显示其对话框。在Surface Box菜单上，将Fractional列的Thickness值提高至3.0。

现在可以重新切割表面。

注意：重新切割功能将从数据表内嵌的结构出发切割得到一个新的表面。如果关闭了晶体惯态文件内的Lattice Visibility以更好地研究晶体惯态，现在需要再次打开它，否则，表面结构中的所有物体都将看不见。通过在Display Style对话框的Lattice选项卡上将Style重置为Default，可以使晶格再次可见。

点击Copy按钮，复制整个文件。在任务管理浏览器内，点中Pigment Red任务，右击鼠标，选择New|3D Atomistic Document。把复制的文件Paste到空文件内。在管理浏览器内，在3D Atomistic.xsd文件上右击鼠标，选择Rename。将名称改为Pigment_red_010.xsd。

关闭pigment_red View E(Surface(010))。

显示有一个对话框，提示是否接受对数据表的修改，点击NO，不保存修改。

对pigment_red.std重复上述步骤，选择File|Save Project。

注意：如果接受对数据表所做的任何修改和变化，则是永久性、不可恢复的。

生长速率大德(010)面可以与添加剂相互作用—添加剂起到抑制这些面生长的作用。降低(010)面的生长速率可能导致颜料红晶体长成一个更加各向同性的外部形貌。执行这种计算需要对各个生长面的附着能进行对比。

打开pigment_red.std，可以在F列找到(010)面的附着能Eatt(Total)。

颜料红（0 1 0）表面与抑制剂之间的相互作用可以通过动力学模拟进行研究，如颜料红晶体表面缓蚀剂吸附模拟教程中所述。

本入门教程到此结束。