Materials-Studio教程
Materials Studio 实⽤指南
⽬录Preface.前⾔
专题1.COF晶胞的构建
专题2.CMP模型的构建
Reflex模块介绍
Forcite模块介绍
Sorption模块教程
DFTB+模块介绍
VAMP模块介绍
DMol3模块介绍
CASTEP模块介绍
GULP模块介绍
专题3.综合应⽤
专题4 Materials Studio的安装与设置
专题1. COF晶胞的构建
在这⼀节，我们来了解⼀下如何⽤Materials Studio内的建模⼯具构建COF晶胞。
COF材料在近⼏年内获得了越来越多的关注，相关研究涉及的层⾯也越来越⼴泛。但是从材料的构成来看，COF与其他⾼分⼦材料并⽆本质的不同，为什么COF就这么受到瞩⽬？因为COF材料是晶体材料。如果⼀种材料是晶体材料，从理论⾓度说，通过研究其单个晶胞的性质，就可以推知该材料的宏观特性，从应⽤⾓度说，只要得到特征的XRD衍射线，就可以断定得到了预期的材料，且其结构与性质必定与具备相同XRD 谱线的同类样品完全⼀致，这是只有晶体材料才能具备的特性。也正因为COF具备晶体材料的这些优良特性，才能被学术界如此看重。
COF材料的晶体属性为相关研究带来了相当⼴阔的
发挥空间，但也对研究者提出了更⾼的要求，如果要在
这⼀领域开展深⼊探索，不但要掌握合成⽅⾯的必要技
能，还要对晶体的结构与性质具有⼀定程度的了解，最
好还能够独⽴操作相关软件设计COF结构，构建COF
晶体模型，并进⾏⼀些基本性质的计算。在本专题，我
们就如何⽤MS平台构建COF晶胞开展⼀些初步的探索，
也算是回应COF材料带给我们的挑战的第⼀步。
COF材料最初由Yaghi⼩组合成，并发表在2005
年的Science上。在通篇⽂献中，我认为最引⼈注⽬的
就是右边这张COF材料的结构模拟图。在该⽂献⽀持信
息中我们还会了解到，正⽂中涉及的COF结构均是由
Cerius2软件完成——包括XRD谱图的解析，晶胞的构
建以及结构优化——该软件是Materials Studio早期的Unix⼯作站版本，我们也可以把它看成是⽬前的Materials Studio的前⾝，两者主要模块及功能完全⼀致，所以我们可以肯定，⽤相对容易接触到的MS也肯定能完成相同的⼯作。情况也的确如此，不但后来我们⽤MS实现了COF材料的模型构建及性质模拟（就连那张⽰意图我们也可以⽤MS做出来），现在涉及COF材料的⼯作在建模部分也⼏乎全部是在MS平台上完成的，可以说Materials Studio已经是COF研究圈内的必备软件了。可以想象掌握MS的建模技能对研究COF是多么的重要。
按照通⾏的步骤，我们如果要建⽴⼀种COF材料的结构模型，⾸先要拿到该材料的PXRD衍射数据，然后按照——寻峰——指标化——⽣成晶胞——Pawley精修的顺序先得到正确的空晶胞，随后再将COF材料的结构基团添加进晶胞内，最后对晶胞进⾏精修及⼏何优化，再⽣成模拟PXRD谱图与实验数据进⾏对照，确定构建的COF模型的正确性及合理性。事实上最初我也是这么做的，结果发现开头与结尾都好办，真正
不好解决的是“随后”的那部分内容——事实上我们拿到的COF-LZU1的PXRD谱图质量可以说是相之当好，我们⾮常轻松的确定了空晶胞的⼏何参数，⽽且与预期的结构完全⼀致——但是怎么⽤已知的结构单元填充晶胞，使原⼦精确的定位到正确的位置上？⽂献在此语焉不详（也许是太简单不值得浪费笔墨），但这部分才是构建COF模型的关键。
突破⼝是从尝试⼿⼯确定COF-1内原⼦的分数坐标时到的。那篇始祖COF⽂献的⽀持材料⾥提供了COF-1的晶胞参数及⾻架原⼦的分数坐标，但是却没有苯环氢的坐标。
COF-1 Hexagonal, P63/mmc
a =
b = 15.6529,
c = 6.7005 ?
B1 0.05772, 0.11543, 0.25000
B2 0.44466, 0.72233, 0.25000
O1 0.11133, 0.05567, 0.25000
O2 0.38900, 0.77800, 0.25000
C1 0.11184, 0.38361, 0.25000
C2 0.21864, 0.43728, 0.25000
C3 0.21837, 0.27685, 0.25000
C4 0.11030, 0.88970, 0.25000
C5 0.38900, 0.77800, 0.75000
C6 0.44466, 0.72233, 0.75000
按这个数据搭建的COF-1模型（如上图）⽤于⽣成粉末衍射模拟谱图肯定没问题，但是在⽤来进⾏其他的模拟却是不⾏。当时就想能不能⼿⼯把氢填上，因为毕竟苯环氢的键长是基本确定的，且与其相连的苯环碳的坐标是已知的，则氢的坐标只要⽤简单的平⾯⼏何关系就可以推知。
其实想到这⾥再前进半步就柳暗花明了，既然C与H之间存在如此的⼏何关系，那COF⾻架的各原⼦之间不也同样存在相同的⼏何关系么。再进⼀步，将构成COF材料六元环孔道的有机分⼦链看成是⼀条线段的话，那这条线段与晶胞的a，b边不也存在相似的⼏何关系么？其实卡在“如何⽤原⼦填充Reflex⽣成的空晶胞“这个问题上是陷⼊了⼀个先⼊为主的思维误区，我们先从PXRD数据⼊⼿所以认为应该从实验数据出发，其实在拓扑连接⽅式确定的前提下，COF晶胞内的原⼦坐标其实已经是唯⼀确定的，与实验测的晶胞参数⽆关，如果同时有准确的键长数据的话，我们倒是可以逆推出晶胞棱长的理论值（c轴除外，这个值对应层间距，只能由PXRD数据或理论计算给出）。
如上图所⽰，⽬前我们所知道的⼆维COF材料绝⼤多数是六⽅晶胞结构，⽽六⽅晶胞的结构的拓扑结构
其实就⼀种，以COF-1为例：
将链抽象为线段，则单层晶胞可转化为：
如此⼀来，原⼦坐标与晶胞参数键的关系可谓⼀⽬了然。
⼿⼯推算COF-1与COF-5的原⼦坐标，我亲⼿做过，其实并不难，也就是⾮直⾓坐标系和COF-5的硼氧五元环需要稍微费些⼼思，不过只需要查⼀下硼，氧，碳的键长数据，然后只需要⼀⽀笔，⼀张纸再加上⼀部计算器和⼀点时间就可以了。建议⼤家都能亲⼿做⼀下，还有就是亲⾃动⼿将⽂献中的晶胞数据输⼊到MS中去⽣成COF模型，亲⾃将晶胞模型转化成坐标，再将坐标变成晶胞模型，直观经验⽐任何理论讲解都来得深刻。
下⾯，我们以COF-LZU1为例，演⽰⼀下如何构造⼆维COF晶胞模型。
⾸先，绘制这样⼀条单链
注意两端苯环⼏何中⼼的绿点，那是⽤对称性⼯具中的Centroid命令做出来的，这两个⼏何中⼼点将会发挥重要的作⽤。接下来进⾏⼏何优化，⽬的是修正键长值推荐选择Dmol3优化，因为DMol3的精度是MS同类模块中最⾼的，键长优化值与实际值误差最⼩。
可见经过优化后，键长值更加接近真实值。很明显两⼏何中⼼间的距离与晶胞a，b边长度的⽐例为1/1.732，则可推算出晶胞的a，b棱长度为22.253，c值我们可以先设为3.5，构建空晶胞。注意晶系的选择，当然我们可以将对称性设为最低，空间取P1，然后⼿动输⼊6个晶胞参数，不过在这个体系下，可以将空间设为⾪属Tirgonal 晶系的P3（143）。
建好晶胞后暂时先将对称性降为P1，再将优化后的链复制进空晶胞所在xsd⽂件。⽬前的任务就是如何将链摆放⾄准确的位置上了。⾸先，调整链的z轴坐标，选择链，在属性栏中修改整体z坐标为0.5。
接下来调整链的空间位置，⽬标是使链与⽔平成30度夹⾓⽽⼀个⼏何中⼼与原点
重合。调节⾓度这时就要借助Movement⼯具条了，点击按钮调出⼯具条。测量⾓度后在右边的栏内填⼊⾓度值，旋转。
用java编写一个简单的计算器
再选择要平移⾄原点的⼏何中⼼，左下⾓的属性栏会显⽰如下内容，将CentioidXYZ 的XY值改成零即可。
完成后⼤约是这个状态。接下来是关键，我们⽤图说话：
删除恢复对称性后会重叠的结构
将对称性升⾄P3，Rebuild晶胞，建模⼯序基本上到这⾥就完成了。
但还要做些⼩修改，节点处的苯环键要⼿动改回部分双键，⼀共两处。
到此为⽌建模就算完成了，但是P3空间并不能完全体现晶胞的对称性，所以我
们还要对晶胞进⾏⼀下等价变换。点击，打开“寻对称性”菜单，点击寻对称性（判定值约⼤越有利于到宏观对称性），直到搜索到P6/M空间，选择应⽤对称性，则晶胞将会变为背景所⽰的模
式。这体现了该COF晶胞最全⾯，最⾼级的对称性，也就等于是说可以⽤最少的原⼦坐标描述该晶胞，我们发表时⽤的就是这个对称性的晶胞形态。
接下来还要对得到的晶胞做⼏何优化，建议采⽤CASTEP或DMol3，或者DFTB，总之不要⽤⼒场系的模块做优化，否则晶胞参数会偏离实验值很多（偏⼤）。如果要结合PXRD数据对晶胞参数进⾏精修，可参照reflex模块的教程，⼆维COF晶胞的建模过程到此完成。
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关于三维晶胞的建模过程，⼜是另⼀种情况。总的来说是更加复杂了，但核⼼思想没变，还是利⽤结构单元形成的链结与晶胞参数间的⼏何关系解决问题。⽬前已知的三维COF结构按拓扑结构可以分为三种模型：ctn，bor及dia。⽽相同的拓扑结构共有的特点就是具有相同的对称性及节点（链结间的交会点）坐标。以最常见的ctn型COF 为例，如果将具体的COF晶胞抽象为点线式拓扑模型，则全部的ctn晶胞均可化归为同⼀个模型。上⾯的这句话的等效表述就是：所有的ctn模型均具有相同的空间，并可⽤同⼀组点（对ctn型点数为2）唯⼀表⽰，他们之间唯⼀的差仅在于连接点之间的线段长度不同。
说到这⾥解决⽅案就明了了，如果拿到该组点的（分数）坐标，那连接两点之间的线段与棱长的⽐值也就能被求出来了。接下来按⼆维晶胞的建模思路就可以解决三维晶胞的建模问题。
关于三维晶胞的拓扑数据，这次我们不⽤⾃⼰动⼿求，⽹上全都有，在⼀个全称为Reticular Chemistry Structure Resource 的⽹上数库⾥，甚⾄还有⼀个名为Syetre的数学软件可以把相应的拓扑数据转化为
直观的⼏何模型。COF材料的创始⼈Yaghi为这两者的诞⽣贡献了很⼤的⼒量，可见Yaghi能在COF材料的研究领域取得辉煌的成就，绝⾮偶然。
Systre软件的输⼊⽂件要从RCSR数据库获得，所以把它看作RCSR的离线客户端也可以，在安装之前有必要先介绍⼀下RCSR数据库的使⽤⽅法并下载常见拓扑结构的数据⽂件。
以上为RCSR主页，其链接为www.doczj/doc/82d3ddd602768e9950e73886.html .au/

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