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MS入门手册(30):Materials Studio纳米结构模型搭建:零维结构

Ravi MS杨站长 2022-11-21

本文为杨站长技术团队制作的《Materials Studio入门手册》第30篇,共约100篇。本教程旨在从零开始带大家入门MS软件,文末可下载更多学习资料。紧跟杨站长,学会计算,拿下顶刊!
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MS入门手册(1):Materials Studio全模块功能介绍!
MS入门手册(2):量子力学、分子力学、介观模拟方法,各模块重点介绍!
MS入门手册(3):Materials Studio软件中所有的输入输出文件及其作用

MS入门手册(4):Materials Studio文件和目录的建立、打开、关闭、命名/重命名、拷贝、移动和删除【建议收藏,方便日后查看】

MS入门手册(5):Materials Studio制作高质量科技论文图片!
MS入门手册(6):Materials Studio制作清晰形象的动画,生动演示分子动力学过程
MS入门手册(7):3分钟学会催化/电池等领域的MXene结构的建模方法!
MS入门手册(8):Materials Studio导入晶体结构和调整显示方式
MS入门手册(9):Materials Studio建模之原胞与晶胞的小知识
MS入门手册(10):Materials Studio从无到有建立晶体结构
MS入门手册(11):Materials Studio晶体结构点缺陷建模:无序固溶体
MS入门手册(12):Materials Studio晶体结构点缺陷建模:同种原子两种化合态混合
MS入门手册(13):Materials Studio晶体点缺陷建模:空位
MS入门手册(14):Materials Studio晶体点缺陷建模:取代与间隙
MS入门手册(15):Materials Studio建模:超晶胞、晶格常数预测
MS入门手册(16):Materials Studio计算结果及参数文件的意义
MS入门手册(17):Materials Studio表面模型的建立
MS入门手册(18):Materials Studio表面建模:切表面、六方晶系、真空层、带根号表面
MS入门手册(19):Materials Studio表面吸附分子模型的建立

MS入门手册(20):Materials Studio表面建模之吸附位置的精确控制

MS入门手册(21):Materials Studio表面建模之分子位置的精确控制

MS入门手册(22):简单界面模型的建立

MS入门手册(23):Materials Studio建模 — 界面模型中原子的固定

MS入门手册(24):Materials Studio建模 — 晶格失配度较大的界面:超胞模型

MS入门手册(25):Materials Studio建模 — 晶格失配度较大的界面:根号模型

MS入门手册(26):Materials Studio建模 — 六方晶系晶体界面

MS入门手册(27):Materials Studio建模界面模型的原子堆叠问题

MS入门手册(28):Materials Studio建模 — 孪晶界面的建立

MS入门手册(29):Materials Studio孪晶界面模型,建模小工具集锦

上节课我们讲解了不少在MS中常用的一些小工具,例如化学键计算、测量、原子选择等,这些小工具在可以使得建模和数据分析过程更加方便。
虽然我们是在孪晶结构模型中学习到的这些工具,但是可以在其他的建模过程和后续各种计算和分析过程中举一反三,相信通过不断地应用,小伙伴们会对之前讲解过的内容越来越熟悉。
随着上次课程的结束,对于界面模型的搭建我们也告一段落了,不知道大家是否可以自如搭建您需要的表界面模型,下面的几次教程,我们会围绕纳米结构模型的搭建进行讲解。
纳米结构一般指至少有一个维度的尺度在纳米级别的材料,由于大部分原子位于表面,存在大量不饱和的悬挂键,和块体材料相比,可能有一些性质上的差异(如颜色等),另外会出现各种量子效应和尺寸效应,从而可能产生各种新的应用。
纳米结构包括零维的纳米团簇、颗粒,一维的纳米线、纳米管,二维的层状材料(如石墨烯)等,都是材料学研究中的高频热点,我们将对这些结构模型的搭建进行一一讲解。
今天,我们关注零维纳米材料,对几种零维纳米结构模型的搭建方法进行讲解。零维纳米材料在三个维度都处于纳米尺寸范围,相当于10~100个原子紧密排列的尺度,包括一些固定组成的纳米结构,如S8、C60、C70等分子,以及一些由晶体切割产生的不同形状的纳米团簇。

可以使用绘制方法绘制简单的纳米结构,如S8分子,可以使用小铅笔工具,绘制8个连接在一起的S原子,接下来我们可以选中相应原子并且调整位置,从而将分子调整成需要的排列方式。

在调整过程中可以随时使用Sketch工具条中的clean功能,释放分子中的应力,使其结构更加符合真实情况(一般来说可能会比较对称),最终画出来的S8分子还算是比较接近“皇冠”结构的,当然可以通过后续的几何优化,进一步对结构进行计算和优化。

绘制出的S8分子
C60和C70的结构模型文件可以在MS中直接导入,路径为Structures-organics。
导入C60和C70结构文件
导入的C60和C70的结构模型,讲真,的确很像足球。题外话,最近中国足协也有各种改革措施,不知道是不是真正能够起到作用,至少可以少给外援一点钱,节省经费,希望能在有生之年看到国足的进步(虽然并非球迷)。
C60和C70的结构
所以很多事情都必须经过不断的改变,才能够有所进展,不论是足球还是科研,希望大家在科研过程中能够不断修改原有的思维定势,从新的角度思考问题,从而拓宽思路,可能就会有意想不到的发现哦。
包括模型的搭建也是一样,巧妙的模型是计算的第一步,有时候多想一想,修改和优化所建立的结构,经常能有新的见解。
这么巨大的结构真的是纳米级别的吗?
有些时候我们希望能够有一个尺寸的标尺(虽然最终输出图片的时候一般不需要)对结构的尺寸进行粗略了解(如果细致的可以通过测量工具进行测量),我们可以通过Display Options功能,在该对话框的Legends选项卡选中Show scale bar前面的对勾,就可以显示标尺,单位可以是埃或者纳米。
另外,Show axis indicator可以控制是否显示坐标轴,如果输出图片的话,可以去掉坐标轴的显示。
标尺显示
接下来,我们继续搭建模型,这次看一看团簇是怎么诞生的。团簇介于原子分子和块体材料之间,是由一定数量的原子或分子堆积而成的尺寸几埃到上百纳米的小颗粒,可能拥有一定的形状(如纳米锥、纳米花等)。
可以作为复合材料的填充材料(增强体)、催化剂(特别是纳米贵金属),也可能作为一些结构(特别是二级结构,如疏水结构的纳米微球等),具有比较高的应用价值,甚至有些特定结构具有美学特点(例如各种形状的纳米花的制备)。
首先导入一个晶体结构,例如Au,在菜单栏中选择Build-Build Nanostructure-Nanocluster就可以打开团簇搭建对话框,其中的选项就可以对团簇的形状、尺寸、是否加H(或其他原子)对悬挂键进行饱和等性质进行设置,下图就是一个搭建好的球形的纳米团簇。
团簇搭建对话框
其他形状的团簇也可以进行搭建,某些形状的团簇可能还有一些其他选项,例如对于圆锥、圆柱、圆台、金字塔形等团簇,可以设置其底面的晶面指数。
下图的两个圆锥形团簇底面的晶面指数分别为(1 1 1)和(0 0 1),可以对涉及不同晶面指数的结构进行研究,这种圆锥形团簇的形状和纳米压痕和划痕针尖比较相近,可以用来模拟纳米压痕和划痕实验。
设置圆锥形团簇底面晶面指数

今天的教程中,我们对零维纳米结构模型搭建进行了一些说明,课后大家可以进行尝试,各个选项都可以稍微改变一下,看看会出现什么样的效果。

实际上,软件的学习就可以通过尝试来更加熟练,并发现新的用法,今天就到这里,我们下一次再会。

Materials Studio

学习资料下载

下载链接!1万个晶体结构CIF文件:MOF、MXenes、催化、电池、二维材料、钙钛矿、金属、纳米管等
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下载链接!《基于DFT的第一性原理计算方法简介》344页课件!
下载链接!《330页量子化学计算精华课件》:21款常用软件、10类电子结构计算、4大计算化学理论、VASP入门精讲!
下载链接!36小时Materials Studio视频:建模、自由能、过渡态、吸附能、结合能、能带、态密度、光学、声子、溶剂化等
下载链接!746页Materials Studio官方手册、中文版、答疑手册!

Materials Studio

MS入门捷径

为了让科研党尽快上手Materials Studio并发表高档次文章,华算科技杨站长原创设计并经过多次迭代优化,推出了MS系列课程。
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