Materials Studio建模教程-10：Crystal Builder建立晶格和可视化，包括氢键的可视化方法

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crystal builder 工具的使用

目的： 介绍晶格建立和可视化工具，包括氢键的可视化方法。

所用模块： Materials Visualizer

介绍：

可将晶体结构导入 3D 原子结构文件中，但 Materials Studio 具有强大的晶体结构建立工具，可建立晶体结构。在本教程中，将导入一个预先建立的晶体，使用 Materials Studio 中的可视化技术，创建晶体的高质量的图形，这些图像可以很容易的粘贴到其它基于 Windows 的软件中，或者保存为位图。同时也将通过将原子添加到预定义的单位晶胞中，创建一个新的晶体结构，并计算原子之间和晶体中分子之间的化学键和氢键。

本教程包括如下内容：

（1）开始

（2）导入并可视化组氨酸晶体

（3）建立尿素晶体

一、开始

启动 Materials Studio 并建立一个名为 Crystal 的新工程。如想获得关于创建新工程的指导，可参见 Project management 教程。

如果 Materials Studio 还没有打开，双击桌面上的 Materials Studio 图标 ，或者从 Windows 开始菜单的程序列表中选择 BIOVIA | Materials Studio ，以启动程序。

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

新工程将以 Crystal 为工程名列于 Project Explorer 中。

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。有关恢复默认参数设置的步骤，可参见创建工程教程（ Creating a project tutorial ）。

二、导入并可视化组氨酸晶体

1 、在 Materials Studio 中导入预建立的晶体结构

Materials Studio 内置一个结构库，包含从陶瓷材料到有机化合物的不同种类的结构。将要导入的结构为名为组氨酸的分子晶体 (histidine) 。

在 Standard 工具栏上单击 Import 按钮 。

打开 Import Document 对话框。

导航至 ExamplesDocuments3D Model ，选择 histidine_resolved.xsd 文件，单击 Open 按钮。

将在 3D Viewer 中打开一个名为 histidine_resolved.xsd 的 3D 原子结构文件，文件名被列在 Project Explorer 中。该结构可通过使用 Rotation 工具 ，并在 3D Viewer 中单击和移动鼠标进行旋转。如果想强制在某个方向上旋转，比如 x 、 y 和 z 轴方向，可以通过在键盘上按下相对应的键，加上鼠标右键并移动鼠标来实现。

按住 Z 键和鼠标右键，左右移动鼠标。

分子绕着 Z 方向旋转，如果想让视图回到初始状态，可以使用 Reset View 按钮。

在 3D Viewer 工具栏上单击 Reset View 按钮 。

2 、改变显示样式

Materials Studio 有一系列功能强大的显示选项，在本教程中将会对部分显示样式进行介绍，将从基本的显示设置开始，如球棍模型。

在 3D Viewer 中的任意位置右击鼠标，从弹出的快捷菜单中选择 Display Style 。

打开 Display Style 对话框。

Display Style 对话框的 Atom 选项卡

该对话框包含一些能够改变显示设置的选项卡，如改变原子或表面的显示、添加温度椭球、和周期结构的晶格显示选项等。

在 Atom 选项卡中选择 Stick 选项。

模型从简单的线状结构更改为由圆柱构成的杆状模型。如果 3D Viewer 窗口没有占据所有的工作区，可以通过单击窗口右上角的 Maximize 按钮来调整它的尺寸。

在 3D Viewer 上单击 Maximize 按钮 。

现在 3D 原子结构文档占据了整个工作区。可以看到体系中的双键用两个相互平行的圆柱来表示，如果不想显示键序之间的不同，可以使用 Display Style 控件移除该表示。

取消勾选 Bond order 复选框。

不同键序的显示样式现在变得相同。下面将显示样式更改为 Ball and stick 。

单击 Ball and stick 单选按钮。

接下来将改变一组原子的显示样式，为了演示该操作，将把 Cl 原子以 CPK 样式显示。首先必须选择所有的 Cl 原子。

按住 ALT 键，在一个绿色的 Cl 原子上双击。

所有的 4 个 Cl 原子变成了黄色，表明它们被选定了。这是一个快捷键，可选定屏幕上指定元素的所有原子。下面仅改变显示样式。

单击 CPK 单选按钮。

Cl 原子的显示样式变成了大的 CPK (Corey-Pauling-Koltun) 球，球的半径取决于它们代表元素的范德华 (van der Waals) 半径。然而许多结构用小的 CPK 尺寸，从而使球不占据大部分结构时，其美观程度更高，可以按比例减小 CPK 尺寸。

单击 CPK scale 文本框，将数值从 0.7 改成 0.5 。

单击向上的箭头将 CPK scale 重新设置为 0.7 。在 3D Viewer 中任意位置单击，取消选择 Cl 原子。

也可以更改晶胞的显示。

Display Style 对话框的 Lattice 选项卡

在 Display Style 对话框中选择 Lattice 选项卡。

Lattice 选项卡包括两个不同的区域， Display style 区域包括有关晶胞显示样式和晶胞显示范围的信息。在 Lattice 区域可改变晶胞晶格显示样式，将改变晶胞的显示样式。 Style 下拉列表包括 4 个选项：

（1）Default －分子平移，且几何中心位于晶胞内。

（2）In-Cell －所有原子都被转化到单位晶胞内，刚好显示一个晶胞中的原子。

（3）Original －原子由对称性定义的位置来显示，不进行额外的变换操作。

（4）None －原子和晶格都不显示。

从 Style 下拉列表选择 In-Cell ，观察在 3D Viewer 中的变化。再重复选择 Original 选项。最后将 Style 恢复到 Default 设置。

现在改变 Range 值以显示更多的晶胞。

在 Range 区域，单击参数 A 的 Max 框，将数值从 1.00 改为 3.00 ，按下 TAB 键。

在 x 方向显示三个晶胞。现在用相似的方法增加 B 和 C 值。

将 B 的 Max 值从 1.00 改为 3.00 ，将 C 的 Max 值从 1.00 改为 5.00 。注意每次改变之后都要按下 TAB 键，应用新设置。

晶胞在三个方向上都扩展了，但是不要旋转这个结构。当显示该数目的晶胞时，可能想要删除晶格显示以改善块体材料的显示效果。

在 Lattice 区域单击 None 单选按钮，关闭 Display Style 对话框。

晶格将不再在屏幕上显示。

现在已经有了适合的结构表示，可以为最后输出图像而增加图像质量。最好把这步留到最后，否则处理图像的计算时间将会大大的增加。

从菜单栏中选择 View | Display Options 。

打开 Display Options 对话框。

注意： 也可通过在 3D 原子结构文件中单击右键，并从快捷菜单中选择 Display Options 选项，打开 Display Options 对话框

Display Options 对话框

在 Graphics 选项卡中的投影 (projection) 命令，可选择正投影 (orthographic) 或透视投影 (perspective) 。对于大的结构比如正在构建的结构，可使用透视投影。

选择 Perspective 单选按钮。

显示变成了透视图，结构被放大了。为了使视图能适应于屏幕，单击 Fit to View 按钮。

在 3D Viewer 工具栏上单击 Fit to View 按钮 。

提示： Quality 设置可应用于屏幕输出和打印输出，其外观应相似。此设置的影响取决于计算机上可用的显卡支持。有关高质量图像的详细指导，请参阅分辨率和图像质量主题。

注意： 如果想要打印结构，应将背景色设置为白色。

选择 Backgrounds 选项卡。单击颜色控件显示颜色选择器，并选择所需的颜色。

结构应如下图所示。

扩大显示的组氨酸结构

现在可以将结构作为位图输出，可以把它插入任何文件中。

从菜单栏中选择 File | Export... ，打开 Export 对话框。从 Export as type 下拉列表中选择 Structure Bitmap (*.bmp) ，输入文件名并单击 Save 按钮。

如果需要结构的更大的图像，例如作海报，可以在 Export 对话框上使用 Options... 按钮，增加输出的分辨率。

在进入下一部分之前，将投影更改回正投影视图，然后从工程中删除 histidine_resolved.xsd 。

在 Display Options 对话框中，将 Projection 改回 Orthographic 。

关闭 Display Options 对话框，然后关闭 histidine_resolved.xsd ，出现一个对话框询问是否将文件保存为工程的一部分，单击 NO 按钮。

三、建立尿素 (urea) 晶体

已经介绍完了可视化功能，下面将建立尿素晶体。可以通过建立晶胞并向晶胞中添加原子来实现。

1 、建立晶胞

第一步是打开一个新的 3D 原子结构文件以建立晶胞。

单击 New 按钮 ，从下拉列表中选择 3D Atomistic Document 。

现在有了一个空白的 3D 原子结构文件，可以建立晶胞了。在本部分中将只构建晶胞，而不向其中添加任何原子。

从菜单栏中选择 Build | Crystals | Build Crystal… 。

将打开 Build Crystal 对话框。它由三个选项卡 Space Group 、 Lattice Parameters 和 Options 组成。将要建立的晶胞的空间群为 P-42 ₁ m ，晶胞参数为：

可以通过空间群名称或空间群编号输入空间群信息，也可以从下拉列表中选择。

Build Crystal 对话框

单击 Enter group 文本框，输入 P-421m ，按下 TAB 键。

这一操作将空间群设置为 113 P-421M ， Space group information 框中的信息改变，显示空间群的细节。 Operators 框也进行了更新，显示与空间群相关的对称性操作。

下一步是设置晶胞参数。

选择 Lattice Parameters 选项卡。

显示晶胞参数，由于所选择空间群的对称性，只能设置某些参数。在 Lengths 区域，给出了对称性所规定的约束的说明，可以知道参数 a 必须等于 b 。

单击 Length a 文本框，将数值更改为 5.576 。

b 值随着所输入的 a 值而改变。

单击 c 文本框，输入数值 4.686 。

现在已经准备好了建立晶胞。

在 Build Crystal 对话框上单击 Build 按钮。

对话框自动关闭，在 3D Viewer 中显示一个空白的晶胞。在向晶胞中添加原子之前，可将默认显示样式更改为 Ball and stick 。

从菜单栏中选择 Modify | Default Atom Style ，打开 Default Atom Style 对话框。选择 Ball and stick 选项，关闭对话框。

现在可以向晶胞中添加原子了。

从菜单栏中选择 Build | Add Atoms 。

打开 Add Atoms 对话框。

Add Atoms 对话框

可利用该对话框指定要添加的原子，包括原子的名称和分数坐标 a 、 b 、 c 。 Options 选项卡包括额外的化学键设置和笛卡尔坐标与分数坐标的选择等，将以分数的形式输入坐标。由于该空间群的对称性很高，只需要输入三个重原子和两个 H 原子的坐标。在有些情况下，对称性较低，可以在构造完初始模型后使用 Adjust Hydrogen 工具添加氢原子。

提示： 氢原子仅可以添加在无对称性镜像的非金属原子上。

将要添加的原子的坐标为：

在开始添加原子之前，确保 Test for bonds as atoms are created 选项是激活的。

在 Add Atoms 对话框中选择 Options 选项卡，勾选 Test for bonds as atoms are created 复选框。再次选择 Atoms 选项卡。

C 是默认的原子类型，只需要对它添加名称即可。

在 Name 文本框中，输入 C1 。在 b 区域输入 0.500 ，设置 c 的值为 0.3284 ，单击 Add 按钮。

原子显示在晶胞中，由于晶胞的对称性，另外 3 个原子也显示出来。

对其它原子重复这一操作，每次要改变元素种类、原子名字，并设置坐标。当完成后，关闭 Add Atoms 对话框。

当向晶胞中添加完所有原子之后，晶胞如下图所示。

尿素晶体模型的中间体

2 、计算氢键

在 Materials Studio 中计算并显示氢键的工具灵活方便，它位于 Build 菜单中。

从菜单栏中选择 Build | Hydrogen Bonds 。

打开 Hydrogen Bond Calculation 对话框。

Hydrogen Bond Calculation 对话框

在对话框中有不同的氢键合形式，可以使用 H-bonding Scheme 选项卡顶部的下拉列表，改变允许形成氢键的原子。如果想添加额外的原子，可以编辑 Donor-acceptor list 。也有两个滑块与氢键的键长和键角相对应，数值范围分别从 1 到 4 Å 和从 0 到 180 ° 。

单击 Calculate 按钮。

氢键以青色的虚线表示出来。如果增加最大距离到 4 Å ，将显示更多的氢键。

选择 H-bond Geometry 选项卡，拖动 Maximum hydrogen-acceptor distance 滑块到 4 ，单击 Calculate 按钮，关闭对话框。

由于受体距离的增加，在更多的原子间显示氢键。

从菜单栏中选择 File | Save Project 。

工程已保存。

本教程到此结束。

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