李映圖，喬智威，李理波，周 健

(華南理工大學化學與化工學院，廣東 廣州 510640)

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Materials Studio軟件在分子模擬課程教學中的應用

李映圖，喬智威，李理波，周 健

(華南理工大學化學與化工學院，廣東 廣州 510640)

分子模擬是一門理論性較強的課程，針對分子模擬涉及概念抽象、理論性強等特點，將Materials Studio分子模擬軟件引入到具體的教學過程中，以便讓學生有更直觀的認識。簡要介紹了分子模擬理論方法以及Materials Studio軟件在氣體吸附方面的應用和計算分析。實踐表明，使用Materials Studio軟件輔助教學使學生對分子模擬的理解更深刻，從而顯著改善了課堂教學效果。

分子模擬軟件；Materials Studio；研究生教學

計算機分子模擬，是指利用計算機強大的計算能力和圖形顯示功能，在計算機上對分子體系及其相互作用進行計算、模擬、分析，從而解釋實驗現(xiàn)象、或者為開展新的實驗提供指導和預測。其理論基礎是量子力學(Quantum Mechanics，QM)、分子力學(Molecular Mechanics，MM)以及量子力學分子力學雜合方法(QM/MM)[1]。分子模擬所涉及的研究領域涵蓋了物理﹑化學﹑材料、化工﹑生命等學科。運用分子模擬多數(shù)可以得到與實驗結果吻合較好的計算結果(實現(xiàn)定量化計算和可視化的三維結構呈現(xiàn))[2]。分子模擬還可以預測目前實驗還無法考察的現(xiàn)象和過程，從而發(fā)展新的理論；研究化學反應的路徑、過渡態(tài)、反應機理等問題，代替以往的化學合成、結構分析、物理檢測等實驗，從而進行新產(chǎn)品和新材料的設計，縮短產(chǎn)品研發(fā)的周期，降低開發(fā)成本[3]。基于以上特點，分子模擬在藥物分子設計、新材料設計等許多領域已成為一種十分重要的方法和工具，推動了這些學科的發(fā)展[4]；也成為與實驗技術并重的強有力的現(xiàn)代研究手段[5-6]。

伴隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，人們開發(fā)了多種多樣的分子模擬軟件，用于生產(chǎn)科研。這些軟件可以使抽象的分子間相互作用具體化、形象化，從而有效地促進學生深刻地理解分子模擬課程里的概念。此外，分子模擬課程也是一門高度實踐性的課程，為了培養(yǎng)學生運用分子模擬原理解決實際問題的能力，需要在課程里介紹現(xiàn)代主流分子模擬軟件的使用?，F(xiàn)代分子模擬軟件種類很多，本文將主要簡單介紹Materials Studio(以下簡稱MS)軟件，讓學生使用軟件里的Sorption模塊，計算純氮氣在(11，0)碳納米管中的吸附等溫線，并與文獻值進行對比。

1 Materials Studio簡介

Materials Studio[7]是Accelrys公司專為材料科學領域開發(fā)的新一代材料計算軟件。它能方便地建立3D分子模型，深入分析有機晶體、無機晶體、無定形材料以及聚合物的結構，可以在催化劑、聚合物、結晶學、晶粉衍射等材料科學研究領域進行性質預測、聚合物建模和X射線衍射模擬，操作靈活方便，并且能夠最大限度地運用網(wǎng)絡資源。模擬的方法包括量子力學的密度泛函理論、半經(jīng)驗的量化計算方法、分子力學、蒙特卡洛方法、分子動力學以及介觀模擬方法等。

MS的主要優(yōu)勢有以下幾點[8]。第一，MS是整合的計算模擬平臺，可以應用在量子力學、分子力學、分子動力學、介觀動力學等；第二，模擬數(shù)據(jù)唯一，不需要反復計算(與之相反的是，實驗數(shù)據(jù)往往存在較大的誤差，為了確保數(shù)據(jù)的正確性，必須進行重復性驗證)；第三，決定因素的確定性。在保證其他參數(shù)不變的情況下，MS模擬可以通過調整某一具體參數(shù)，研究物質性質對該參數(shù)的依賴性，從而確定是否為決定性因素；第四，模擬過程安全，學生的人身安全是老師必須要考慮的。在傳統(tǒng)實驗過程中，如涉及有毒有害物質的合成實驗，易燃易爆的實驗等，危險性較大，不建議學生進行操作，該隱患在MS模擬中可完全避免；第五，簡單易學，MS 模擬只需根據(jù)需要建立模型，設置相關參數(shù)，即可交由計算機完成，且模擬結果能圖形化的表現(xiàn)出來，相關數(shù)據(jù)也易于獲取和分析。

2 氮氣在碳納米管中吸附的分子模擬示例

2.1 建立初始結構

2.1.1 建造一個氮氣分子

進入MS軟件以后，先建立一個新的Project。在Project窗口，構建一個新的xsd文件并命名為N2.xsd。然后用菜單欄里面的Sketch Atom工具在N2.xsd文件里面繪制一個氮氣分子。繪制好的氮氣分子點擊Clean工具可快速獲得其合理穩(wěn)定的構象。

2.1.2 構筑(11，0)碳納米管

為了與美國德拉華大學Arora課題組的文獻值[9]進行比較，我們選用了與其相同的(11，0)碳納米管。建立一個新的xsd文件并命名為11_0.xsd。接著利用菜單欄的Build命令構建單個晶胞的碳納米管，然后用Build欄下的Supercell擴展為200個晶胞，構型如圖1所示。

圖1 碳納米管的構型

2.2 進行吸附模擬

2.2.1 優(yōu)化氮氣

優(yōu)化氮氣我們需要使用Discover模塊，首先對此模塊進行設置，選擇菜單欄中的Discover控件，在下拉列表選擇Setup。在彈出窗口Energy菜單下可以選擇所需要的力場，本示例選取COMPASS力場。

設置完Discover模塊以后，首先對體系進行優(yōu)化。點擊工具條上的Discover按鈕，然后從下拉列表中選擇Minimizer，Method選擇為Smart Minimizer，Convergence level是選擇模擬的精度，而Maximum iterations是選擇優(yōu)化的步驟，本次優(yōu)化直接使用默認的數(shù)值。設置完后，激活N2.xtd，點擊Discover Minimization對話框中的Minimize按鈕。

優(yōu)化結束后，會在Project Explorer中創(chuàng)建一個新目錄N2 Disco Min，當任務完成時，能量最小化的結構會被存放到這個新目錄下。

2.2.2 吸附模擬

必須注意的是，要先打開碳納米管(或者其他吸附劑)的構型圖，這里是指11_0.xsd，再打開Sorption Calculation這個界面，在Molecule的下拉菜單中選中之前計算過的氮氣構型(N2.xsd)，之后在Fugacity中輸入逸度值。逸度和壓力的關系由Peng-Ronbinson狀態(tài)方程計算。點擊Task右邊的More按鈕，可以輸入模擬步數(shù)和溫度，這里設置107步為平衡步，107步為統(tǒng)計平均步，溫度為298 K。在Energy中，選中COMPASS力場，截斷距離(Cutoff)設置為1.25 nm。設置完成后，開始對每個不同的壓力進行模擬。注意，這里計算比較耗時，如果只是出于練習使用軟件的目的，可以設置比較少的模擬步數(shù)。

2.3 作出純氮氣的吸附等溫線

若模擬成功完成，每一個文件夾中都會有Status.txt文件顯示OK。而文件夾中的11_0.txt文件會輸出最后的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，這里只需要Average loading這個數(shù)值。這個數(shù)值與壓力(逸度)的關系如表1所示。

表1 吸附量與壓力逸度的關系

將不同壓力的模擬計算結果與文獻值進行比較，如圖2所示。在較低壓力下，隨著壓力的增加，氮氣的吸附量明顯增加，當壓力超過100 kPa時，吸附量趨于穩(wěn)定，達到飽和，模擬的結果與文獻值[9]基本一致。這充分表明，本文的模擬結果具有很高的精確度，Materials Studio軟件對分子模擬的課程教學具有重要意義。

圖2 純氮氣在(11,0)碳納米管的吸附等溫線

3 結 語

Materials Studio是應用前景廣闊的分子模擬軟件，在化工、材料等領域的應用正不斷擴大。通過分子模擬技術來設計、改性化工新產(chǎn)品和新材料，可以縮短研發(fā)周期，提高效率并節(jié)約成本，減少人為造成的數(shù)據(jù)和分析誤差。所以有理由相信計算機分子模擬技術必將很好的互補傳統(tǒng)的實驗手段，廣泛應用于化工和材料領域的產(chǎn)品和過程開發(fā)。

使用MS作為教學軟件，不僅可以提高學生的計算機應用能力，而且還能引起學生的研究興趣，激發(fā)學生的創(chuàng)造力和想象力，對課題先進行計算機實驗，然后再通過真實實驗論證，將理論與實踐相結合，有助于增強研究生課堂教學效果，也為他們的科學研究，從分子水平上分析研究結果起到一定幫助作用。

[1] 唐赟,李衛(wèi)華,盛亞運.計算機分子模擬——2013年諾貝爾化學獎簡介[J].自然雜志,2013(06):408-415.

[2] 徐勇,王志剛,劉科高,等.Materials Studio(MS)結構模擬重構在晶體結構教學中的應用[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2013 (19):61-63.

[3] 莊昌清,岳紅,張慧軍.分子模擬方法及模擬軟件Materials Studio在高分子材料中的應用[J].塑料,2010 (04):81-84.

[4] 付志粉.Materials Studio軟件輔助晶體結構教學[J].科技視界,2015 (32):24-72.

[5] 陳海平.分子模擬軟件Materials studio在微電子專業(yè)課程中的應用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2012 (20):76-77.

[6] 黃欽.Gaussian和GaussView在結構化學教學中的應用[J].廣州化工,2012,40(10):199-202.

[7] 汝強.計算材料學在材料物理專業(yè)教學中的應用[J].湖南科技學院學報,2013 (08):55-57.

[8] 肖蓓蓓,姜小寶.材料學科教學中Materials Studio應用初探[J].吉林教育,2016 (01):12.

[9] Arora G, Wagner N J, Sandler S I. Adsorption and diffusion of molecular nitrogen in single wall carbon nanotubes[J]. Langmuir,2004,20(15):6268-6277.

Application of Materials Studio Software in the Course of Molecular Simulation*

LIYing-tu,QiaoZhi-wei,LILi-bo,ZHOUJian

(School of Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Technology,Guangdong Guangzhou 510640, China)

Molecular Simulation is a curriculum with strong theoretical background. In the light of conceptual abstraction and theoretical depth of molecular simulation in the teaching process, the Materials Studio software was introduced into the course. The theoretical method of molecular simulation and an application case of gas adsorption by Materials Studio were discussed. Practice showed that the introduction of Materials Studio can help students understand molecular simulation more deeply and improve the efficiency of class teaching.

molecular simulation; Materials Studio software; graduate teaching

華南理工大學研究生重點課程建設項目(yjzk2014003)。

周健，教授，博士生導師，教育部新世紀優(yōu)秀人才，主要從事化工新產(chǎn)品和新材料的分子模擬研究。

TQ31

A

1001-9677(2016)021-0160-03