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

华算科技 MS杨站长 2023-03-18
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Materials Studio建模教程-9：layer builder工具建立硅的孪晶结构、建立金属-聚合物-金属体系
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Examples\Documents\3D 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-421m，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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