运行限制性剪切计算

背景

Forcite中的限制性剪切计算任务模拟半刚性壁或表面之间受限流体的剪切流。流体可以是液体或低聚物。表面通常是无机氧化物或金属，尽管原则上，可以使用任何化学上合理的限制性表面材料。

限制性剪切计算是通过在墙上施加用户定义的速度来实现的。模拟以相等但相反的速度剪切两个墙壁，并通过谐波弹簧将它们固定在彼此相对的位置。

介绍

本教程将演示如何在层状结构上执行限制性剪切计算模拟。它首先使用多种工具（如Amorphous Cell和Layer Builder）来构建和定义不同的层结构。获得层状结构后，可以使用限制性剪切计算任务来运行模拟。

本教程包括如下部分：

开始

设置Fe层参数

构建一个十三烷分子

构建层状体系模型

平衡层状体系

运行限制性剪切计算模拟并分析结果

注意：为了和本教程中的参数保持一致，可以使用Settings Organizer对话框将工程中所有参数都设置为BIOVIA的默认值。

1、开始

首先启动Materials Studio并创建一个新工程。

打开New Project对话框，输入ConfinedShear作为工程名，单击OK按钮。

新工程将以ConfinedShear为工程名显示于Project Explorer中。

2、设置Fe层参数

首先，从结构库中导入金属结构。

单击工具条上的Import按钮

打开Import Document对话框。从File name的文件类型列表中选择3D Atomistic Files。导航至并选择Structures\metals\puremetals\Fe.xsd文件，单击Open按钮。

下一步是由现存的晶胞建立超晶胞。

从菜单栏中选择Build | Symmetry | Supercell，打开Supercell对话框。将Supercell range增加为7 7 3，单击Create Supercell按钮。关闭对话框。

3、构建一个十三烷分子

要构建十三烷分子，首先使用聚合物构建工具Polymer Builder构建十二烷分子。

从菜单栏中选择Build | Build Polymers | Homopolymer，打开Homopolymer对话框。在Polymerize选项卡中，将Chain length更改为6。确保从olefins Library中选择了ethylene作为Repeat unit。单击Build按钮，关闭对话框。

十二烷分子将显示在新的3D Viewer中。修改结构，在链的一端添加额外的甲基。

在菜单栏中选择Selection工具

选择链一端的终端氢原子。

单击Modify Element的下拉箭头

从下拉列表中选择Carbon。在3D Viewer的任意位置单击以取消选择原子。

单击Adjust Hydrogen按钮

然后单击Clean按钮

在继续下一步之前，将分子重命名为十三烷。

使用Project Explorer，将Polyethylene.xsd文件重命名为tridecane.xsd。

4、构建层状体系模型

本节将介绍构建包含十三烷的无定形晶胞的方法，然后使用Layer Builder将其放置在两层铁的层结构之间。

单击Modules工具条上的Amorphous Cell

选择Calculation。

打开Amorphous Cell Calculation对话框。

从Task下拉列表中选择Confined Layer。

定义十三烷分子的加载量和晶胞的密度，对于本教程为0.7 g/cm3。

从Molecule列表中选择tridecane.xsd，设置Loading为25。将Density设置为0.7 g/cm3。

单击More...按钮，打开Amorphous Cell Confined Layer对话框，从Lattice type下拉列表中选择Orthorhombic。

晶格常数定义晶格的尺寸。当想要建立层结构模型时，需要更改a和b参数，使其与金属层的参数相同。

双击Project Explorer中的Fe.xsd，使其成为当前文档。在3D Viewer中单击鼠标右键，然后从快捷菜单中选择Lattice Parameters。在Amorphous Cell Confined Layer对话框的Lengths (Å)部分，输入Lattice Parameters对话框中显示的a和b值。关闭Lattice Parameters和Amorphous Cell Confined Layer对话框。

Amorphous Cell算法的默认模式是使用主链原子之间的键作为可旋转键。构建聚合物时，会自动将主链原子定义为头原子和尾原子之间的路径。在本例中，对结构进行了编辑，并添加了一个未定义为主链原子的额外甲基。Amorphous Cell可以自动找到所有柔性扭矩，在本例中，将包括新增加的扭矩。

在Amorphous Cell Calculation对话框中，单击Options...按钮，打开Amorphous Cell Options对话框。勾选Include non backbone torsions复选框，关闭对话框。

在启动计算任务前，需要定义能量设置和新的计算任务描述。

在Amorphous Cell Calculation对话框的Energy选项卡上，从Forcefield下拉列表中选择COMPASSIII，并从Electrostatic求和方法下拉列表中选择Group based。

单击Forcefield后的More...按钮，打开Amorphous Preparation Options对话框。确保Charge groups选择了Calculate automatically。关闭对话框。

Amorphous Cell在分配电荷后自动计算电荷组。默认的计算方法是Divide-and-conquer，它递归地将分子拆分成电中性基团。

单击Run按钮并关闭对话框。

计算任务完成后，名为tridecane.xtd的文档将返回到工程中的tridecane AC Layer文件夹。

一旦建立了无定形晶胞，即可以将其添加到层结构中。

从菜单栏中选择Build | Build Layers，打开Build Layers对话框。在Define Layers选项卡中，选择Layer1为Fe.xsd、Layer2为tridecane.xtd、Layer3为Fe.xsd。

这建立了一个三层的层结构，其中十三烷层夹在两个铁层结构之间。

选择Build Layers对话框上的Layer Details选项卡。

可指定是否向层结构的任一端添加真空层。

选择Options选项卡，然后勾选Configure for confined shear use复选框。更改回Layer Details选项卡，然后更改为Define Layers选项卡。

要运行限制性剪切模拟计算，每层结构必须具有特定的名称，如Define Layers选项卡上所示。此外，也将为结构增加20 Å的真空层，因此底部墙壁的非键相互作用不会影响顶部墙壁。

单击Build按钮，并关闭对话框。

几秒钟后，将打开一个名为Layer.xsd的新3D原子结构文档，其中包含刚才建立的层结构。

在Project Explorer中，将其拖动到工程根目录中。将Layer.xsd设为当前文档，然后按键盘上的向上键两次以旋转视图。

现在可以观察到层结构模型

5、平衡层状体系

在进行剪切之前，首先进行短时间几何优化和长时间NVT动力学，以平衡十三烷聚合物结构。因为只想平衡聚合物中的原子位置，所以限制铁原子位置。

在3D viewer中，按住ALT键并双击其中一个铁原子。从菜单栏中选择Modify | Constraints以打开Edit Constraints对话框。勾选Fix Cartesian position复选框并关闭对话框。

现在已经限制了铁原子的位置，可以弛豫十三烷结构。

从菜单栏中选择Modules | Forcite | Calculation，打开Forcite Calculation对话框。

在Setup选项卡中，将Task更改为Geometry Optimization。

在Energy选项卡上，选择COMPASSIII作为Forcefield。将Electrostatic和van der Waals求和方法更改为Group based。

单击Forcefield后的More...按钮，打开Forcite Preparation Options对话框。确保Charge groups选择了Calculate automatically，关闭对话框。

十三烷的电荷组已经由Amorphous Cell进行了计算。Forcite通过向每个Fe原子添加一个电荷组来完成整个结构上的电荷组分配。

单击Run按钮。

结构的初始弛豫消除了Amorphous Cell无定形晶胞构建和层结构构建过程中产生的任何不良接触。还可以运行分子动力学计算，以提供进一步的结构平衡。在本例中，使用模拟退火计算，在不同温度下运行一组短时间分子动力学计算。

在Forcite Calculation对话框中，选择Setup选项卡。将Task更改为Anneal，然后单击More...按钮，打开Forcite Anneal Dynamics对话框。

在此对话框中，可以指定温度循环的参数。对于本教程，保留默认值。对于实际计算，至少执行50,000个平衡结构的动力学步骤。

关闭Forcite Anneal Dynamics对话框，然后单击Forcite Calculation对话框上的Run按钮。

计算需要几分钟的时间。完成后，将返回三个结构文档：

Layer.xsd - 包含退火计算最终一帧的结构

Layer Anneal.xtd - 包含每个退火循环的最低能量帧的轨迹文件

Layer.xtd - 循环中所有帧的轨迹

使用Layer.xsd作为限制性剪切计算的输入文件。

从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。重新打开退火后的Layer.xsd文件。

6、运行约束剪切模拟并分析结果

在执行限制性剪切计算之前，应取消对Fe原子位置的固定。

选择Layer Forcite Anneal\Layer.xsd文件中的所有原子，然后打开Edit Constraints对话框。在Atom选项卡上，取消勾选Fix Cartesian position复选框并关闭对话框。

现在可以设置限制性剪切模拟参数。

在Forcite Calculation对话框的Setup选项卡上，从Task下拉列表中选择Confined Shear。单击More...按钮，打开Forcite Confined Shear对话框。

确保Wall velocity为0.05 Å/ps，然后单击More...按钮，打开Forcite Dynamics对话框。

将Number of steps更改为5000，Frame output every更改为250。关闭Forcite Confined Shear和Forcite Dynamics对话框。

注意：如果以250 ps的模拟时间运行本教程，则会发生聚合物的剪切。

现在可以运行模拟了。

单击Run按钮，并关闭对话框。

开始限制性剪切计算任务，一个新文件夹Layer Forcite ConfShear。

选择Frames to average并设定值6。单击Analyze按钮，并关闭对话框。

这将生成一个包含多行的图表，其中每行显示平均后的浓度分布。在这个非常简短的例子中，浓度分布没有随时间发生显著变化。

对轨迹的观察也支持十三烷黏附在墙壁上的观点。

使输出的Layer.xtd成为当前文档，并打开Display Style对话框。在Lattice选项卡上，将Style更改为In-Cell，关闭对话框。

这会改变显示方式，将所有原子平移到晶格内部。

按下键盘上的向上键两次，重新排列视图。单击Animation工具栏上的Animation Mode按钮

后的下拉箭头，然后选择Options，打开Animation Options对话框。勾选Recalculate atom visibility every frame复选框，并关闭对话框。

单击Play按钮

随着轨迹动画的播放，十三烷会向金属墙壁移动。

从菜单栏中选择File | Save Project。

从菜单栏中选择Modules | Forcite | Analysis，打开Forcite Analysis对话框。从列表中选择Velocity profile，从Sets下拉列表中选择FLUID。确保Flow direction为A，单击Analyze按钮。

将打开包含速度剖面信息的图表文档和数据表文档。

此图表文档包含沿z方向绘制的FLUID (tridecane)成分的速度剖面。该图在0至9.9 Å直接和超过36.2 Å范围的值零，因为这些区域对应于金属原子墙壁（没有聚合物）。聚合物区域位于9.9和36.2 Å之间，在该区域中，图中将有信号。当结构完全平衡且各处原子分布平均，模拟计算结果将显示速度从底部墙壁处的负值变为顶部墙壁处的正值。

温度分布还可以提供有关体系中局部加热的信息。

在Forcite Analysis对话框中，从列表中选择Temperature profile。然后从Sets下拉列表中选择FLUID。勾选Specified direction (h k l)复选框并将方向定义为0 0 1。单击Analyze按钮。

这将生成整个晶胞的温度分布图。在本例中，温度是相当恒定的，链条相互拉动，造成摩擦的区域将产生局部升温。

还可以计算十三烷原子的浓度分布，以查看其在整个晶胞中的变化。

在Forcite Analysis对话框中，从列表中选择Concentration profile。然后从Sets下拉列表中选择FLUID。勾选Specified direction (h k l)复选框并将方向定义为0 0 1。单击Analyze按钮。

其中包含流体在x、y和z方向上的浓度分布图。z方向图显示，靠近墙壁面的限制性流体密度较高，表明十三烷在剪切作用下粘附在Fe表面。

还可以在多个帧上平均浓度分布。从而能够查找分布与时间的依赖关系。