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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

时间:2023-03-20 来源: 浏览:

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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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)
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 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 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。
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。
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。
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。
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 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
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。
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。
Range 区域,单击参数 A Max 框,将数值从 1.00 改为 3.00 ,按下 TAB 键。
x 方向显示三个晶胞。现在用相似的方法增加 B C 值。
B Max 值从 1.00 改为 3.00 ,将 C 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。
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
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。
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
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 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。
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。
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。
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
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 4 Å 和从 0 180 °
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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