李映图，乔智威，李理波，周 健

(华南理工大学化学与化工学院，广东 广州 510640)



Materials Studio软件在分子模拟课程教学中的应用

李映图，乔智威，李理波，周 健

(华南理工大学化学与化工学院，广东 广州 510640)

分子模拟是一门理论性较强的课程，针对分子模拟涉及概念抽象、理论性强等特点，将Materials Studio分子模拟软件引入到具体的教学过程中，以便让学生有更直观的认识。简要介绍了分子模拟理论方法以及Materials Studio软件在气体吸附方面的应用和计算分析。实践表明，使用Materials Studio软件辅助教学使学生对分子模拟的理解更深刻，从而显著改善了课堂教学效果。

分子模拟软件；Materials Studio；研究生教学

计算机分子模拟，是指利用计算机强大的计算能力和图形显示功能，在计算机上对分子体系及其相互作用进行计算、模拟、分析，从而解释实验现象、或者为开展新的实验提供指导和预测。其理论基础是量子力学(Quantum Mechanics，QM)、分子力学(Molecular Mechanics，MM)以及量子力学分子力学杂合方法(QM/MM)[1]。分子模拟所涉及的研究领域涵盖了物理﹑化学﹑材料、化工﹑生命等学科。运用分子模拟多数可以得到与实验结果吻合较好的计算结果(实现定量化计算和可视化的三维结构呈现)[2]。分子模拟还可以预测目前实验还无法考察的现象和过程，从而发展新的理论；研究化学反应的路径、过渡态、反应机理等问题，代替以往的化学合成、结构分析、物理检测等实验，从而进行新产品和新材料的设计，缩短产品研发的周期，降低开发成本[3]。基于以上特点，分子模拟在药物分子设计、新材料设计等许多领域已成为一种十分重要的方法和工具，推动了这些学科的发展[4]；也成为与实验技术并重的强有力的现代研究手段[5-6]。

伴随着计算机技术的迅猛发展，人们开发了多种多样的分子模拟软件，用于生产科研。这些软件可以使抽象的分子间相互作用具体化、形象化，从而有效地促进学生深刻地理解分子模拟课程里的概念。此外，分子模拟课程也是一门高度实践性的课程，为了培养学生运用分子模拟原理解决实际问题的能力，需要在课程里介绍现代主流分子模拟软件的使用。现代分子模拟软件种类很多，本文将主要简单介绍Materials Studio(以下简称MS)软件，让学生使用软件里的Sorption模块，计算纯氮气在(11，0)碳纳米管中的吸附等温线，并与文献值进行对比。

1 Materials Studio简介

Materials Studio[7]是Accelrys公司专为材料科学领域开发的新一代材料计算软件。它能方便地建立3D分子模型，深入分析有机晶体、无机晶体、无定形材料以及聚合物的结构，可以在催化剂、聚合物、结晶学、晶粉衍射等材料科学研究领域进行性质预测、聚合物建模和X射线衍射模拟，操作灵活方便，并且能够最大限度地运用网络资源。模拟的方法包括量子力学的密度泛函理论、半经验的量化计算方法、分子力学、蒙特卡洛方法、分子动力学以及介观模拟方法等。

MS的主要优势有以下几点[8]。第一，MS是整合的计算模拟平台，可以应用在量子力学、分子力学、分子动力学、介观动力学等；第二，模拟数据唯一，不需要反复计算(与之相反的是，实验数据往往存在较大的误差，为了确保数据的正确性，必须进行重复性验证)；第三，决定因素的确定性。在保证其他参数不变的情况下，MS模拟可以通过调整某一具体参数，研究物质性质对该参数的依赖性，从而确定是否为决定性因素；第四，模拟过程安全，学生的人身安全是老师必须要考虑的。在传统实验过程中，如涉及有毒有害物质的合成实验，易燃易爆的实验等，危险性较大，不建议学生进行操作，该隐患在MS模拟中可完全避免；第五，简单易学，MS 模拟只需根据需要建立模型，设置相关参数，即可交由计算机完成，且模拟结果能图形化的表现出来，相关数据也易于获取和分析。

2 氮气在碳纳米管中吸附的分子模拟示例

2.1 建立初始结构

2.1.1 建造一个氮气分子

进入MS软件以后，先建立一个新的Project。在Project窗口，构建一个新的xsd文件并命名为N2.xsd。然后用菜单栏里面的Sketch Atom工具在N2.xsd文件里面绘制一个氮气分子。绘制好的氮气分子点击Clean工具可快速获得其合理稳定的构象。

2.1.2 构筑(11，0)碳纳米管

为了与美国德拉华大学Arora课题组的文献值[9]进行比较，我们选用了与其相同的(11，0)碳纳米管。建立一个新的xsd文件并命名为11_0.xsd。接着利用菜单栏的Build命令构建单个晶胞的碳纳米管，然后用Build栏下的Supercell扩展为200个晶胞，构型如图1所示。

图1 碳纳米管的构型

2.2 进行吸附模拟

2.2.1 优化氮气

优化氮气我们需要使用Discover模块，首先对此模块进行设置，选择菜单栏中的Discover控件，在下拉列表选择Setup。在弹出窗口Energy菜单下可以选择所需要的力场，本示例选取COMPASS力场。

设置完Discover模块以后，首先对体系进行优化。点击工具条上的Discover按钮，然后从下拉列表中选择Minimizer，Method选择为Smart Minimizer，Convergence level是选择模拟的精度，而Maximum iterations是选择优化的步骤，本次优化直接使用默认的数值。设置完后，激活N2.xtd，点击Discover Minimization对话框中的Minimize按钮。

优化结束后，会在Project Explorer中创建一个新目录N2 Disco Min，当任务完成时，能量最小化的结构会被存放到这个新目录下。

2.2.2 吸附模拟

必须注意的是，要先打开碳纳米管(或者其他吸附剂)的构型图，这里是指11_0.xsd，再打开Sorption Calculation这个界面，在Molecule的下拉菜单中选中之前计算过的氮气构型(N2.xsd)，之后在Fugacity中输入逸度值。逸度和压力的关系由Peng-Ronbinson状态方程计算。点击Task右边的More按钮，可以输入模拟步数和温度，这里设置107步为平衡步，107步为统计平均步，温度为298 K。在Energy中，选中COMPASS力场，截断距离(Cutoff)设置为1.25 nm。设置完成后，开始对每个不同的压力进行模拟。注意，这里计算比较耗时，如果只是出于练习使用软件的目的，可以设置比较少的模拟步数。

2.3 作出纯氮气的吸附等温线

若模拟成功完成，每一个文件夹中都会有Status.txt文件显示OK。而文件夹中的11_0.txt文件会输出最后的统计数据，这里只需要Average loading这个数值。这个数值与压力(逸度)的关系如表1所示。

表1 吸附量与压力逸度的关系

将不同压力的模拟计算结果与文献值进行比较，如图2所示。在较低压力下，随着压力的增加，氮气的吸附量明显增加，当压力超过100 kPa时，吸附量趋于稳定，达到饱和，模拟的结果与文献值[9]基本一致。这充分表明，本文的模拟结果具有很高的精确度，Materials Studio软件对分子模拟的课程教学具有重要意义。

图2 纯氮气在(11,0)碳纳米管的吸附等温线

3 结 语

Materials Studio是应用前景广阔的分子模拟软件，在化工、材料等领域的应用正不断扩大。通过分子模拟技术来设计、改性化工新产品和新材料，可以缩短研发周期，提高效率并节约成本，减少人为造成的数据和分析误差。所以有理由相信计算机分子模拟技术必将很好的互补传统的实验手段，广泛应用于化工和材料领域的产品和过程开发。

使用MS作为教学软件，不仅可以提高学生的计算机应用能力，而且还能引起学生的研究兴趣，激发学生的创造力和想象力，对课题先进行计算机实验，然后再通过真实实验论证，将理论与实践相结合，有助于增强研究生课堂教学效果，也为他们的科学研究，从分子水平上分析研究结果起到一定帮助作用。

[1] 唐赟,李卫华,盛亚运.计算机分子模拟——2013年诺贝尔化学奖简介[J].自然杂志,2013(06):408-415.

[2] 徐勇,王志刚,刘科高,等.Materials Studio(MS)结构模拟重构在晶体结构教学中的应用[J].中国现代教育装备,2013 (19):61-63.

[3] 庄昌清,岳红,张慧军.分子模拟方法及模拟软件Materials Studio在高分子材料中的应用[J].塑料,2010 (04):81-84.

[4] 付志粉.Materials Studio软件辅助晶体结构教学[J].科技视界,2015 (32):24-72.

[5] 陈海平.分子模拟软件Materials studio在微电子专业课程中的应用[J].产业与科技论坛,2012 (20):76-77.

[6] 黄钦.Gaussian和GaussView在结构化学教学中的应用[J].广州化工,2012,40(10):199-202.

[7] 汝强.计算材料学在材料物理专业教学中的应用[J].湖南科技学院学报,2013 (08):55-57.

[8] 肖蓓蓓,姜小宝.材料学科教学中Materials Studio应用初探[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

华南理工大学研究生重点课程建设项目(yjzk2014003)。

周健，教授，博士生导师，教育部新世纪优秀人才，主要从事化工新产品和新材料的分子模拟研究。

TQ31

A

1001-9677(2016)021-0160-03