分子动力学计算(武汉理工大学实验报告)

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1、实验项目名称分子动力学计算实验成绩实验者蔡铭辉专业班级材物1401组别同组者实验日期年 月曰第一部分：实验分析与设计一、实验内容描述(问题域描述)使用MS软件中CASTEP模块建立H2气体分子模型以及分子动力学计算设置；利 用CASTEP和Reaction Preview工具来实现过渡态搜索反应模型的建立，并使用 MS软件显示动态结果，并进行能量与电子结构计算结果分析二、实验基本原理与设计(包括实验方案设计，实验手段的确定，试验步骤等，用 硬件逻辑或者算法描述)1.H2在扰动下键振动的动力学计算 实验原理：CASTEP只对周期系统起作用，所以，气态的H2分子模型的建立是通过Molecule i

2、n box的方法实现的，即在一个晶胞参数足够大晶格中，放入一个H2分子，由 于周期结构的间距足够大，从而使得周期排列的H2可以模拟气态状态。实验方法：a. 在 Projec t Explorer 中，选择 New | 3D Ato mis tic Documen t。右击 3DAtomistic.xsd，选择 Rename，输入 H2，按回车键。b. 使用Build Crystal工具创建一个空的晶胞，然后把H2分子添加到晶胞中。 在Ske tch工具栏上点击Ske tch A tom按钮，画二个连接的H原子，点击Clean 按钮。其键长恰调整为0.74埃。c. 从菜单栏选择 Build |

3、Crystals | Build Crysta。选择 Lattice Parameters 选项卡，把晶胞长度值a、b和c都设为8.00，点击Build按钮。d. 先在工具栏上点击Measure/Change工具旁的选项箭头，选择Distance。点击 H-H键。在Proper ties 的 Dis tance 中双击 Dis tance,将值改为 0.8 埃。e. 选择 CASTEP 模块 Calculation，在 STEUP 中选择 Task 为 Dynamics，为方便 演示运算，选择 Quality 为 Coarse， Functional 选择 LDA。f. 在TASK后点选Mor

4、e，进行该项计算设置。在出现的Dynamics选卡上，Ensemble选择NVE，计算步数选择20，以加速计算同时便于查看动态。设置完毕 后即可选择本机计算并点选Run，开始计算。g. 在工具栏上显示 Animation 图标，点选 ViewToolbarsAnimation，显示相 应工具列。激活相应的.xcd文件，点击Animation工具列中的Play键即可播放 出在受到扰动后的H-H键键长动态改变动画。2使用LST/QST工具搜索H在Pd(lll)表面离解反应的过渡态结构(1) 设置用于计算的结构a. 建立Pd (1 1 1)表面。从菜单栏选择File | Import.，或者在工具栏

5、上点击按钮。在Import Document 对话框中，定位到 Structures/metals/pure-metals，选择 Pd.msi， 点 击Import按钮。在Pd.xsd文件中右击，从快捷菜单中选择Display Style，在 Display Style对话框的Atom选项卡上，从Display Style区域选择Ball and st ick。关闭对话框。从菜单栏选择Build | Surfaces | Cleave Surface。显示 Cleave Surface对话框，将Cleave plane中的密勒指数从T 0 0改为111并 设置 Fractional Thick

6、ness 为 2.0。点击 Cleave 按钮。选择 Surface Mesh 选 项卡，设置 surface vector U 为 0.5 -1 0.5,然后按 TAB键，设置 surface vector V 为 0.5 0.5 -1 并按 TAB 键，关闭 Cleave Surface 对话框。劈开表面。从菜单栏选择Build | Crystals | Build Vacuum Slab.， 在 Build Vacuum SlabCrystal 对话框的 Vacuum Slab 选项卡上，将 Vacuum thickness 从 10.00 改为 7.00并点击Build按钮，将其转换为

7、3D Atomistic从菜单栏选择Build | Bonds， 打开Bond Calculation对话框，选中 Monitorbonding复选框，关闭 Bond Calculation对话框。在Pd (1 1 1).xsd文件中点击，点击工具栏上的Display Style按钮，打开Display Style对话框，选择Lattice选项卡并设置Style为 In-Cell，最后重置 Style 为 Default。关闭 Display Style 对话框。b. 使用已经建立的Pd (1 1 1)表面来构造相当于反应物的结构从菜单栏选择File | New.，然后选择3D At omis

8、 tic。确保Pd (1 1 1).xsd 是活动文档，从菜单栏选择Edit | SelectAll,然后选择Edit | Copy。在Project Explorer中，双击3D Atomistic.xsd使其成为活动文档，从菜单栏选择Edit | Paste。在文档中点击以取消选择任何对象。在 Project Explorer中右击3D Atomistic.xsd然后从快捷菜单中选择Rename ，将其命名为reactants。现在需要添加H分子到Pd表面上。从菜单栏 选择Build | Add A toms。显示Add A toms对话框。在At oms选项卡上，从Element 下拉列

9、表中选择H并键入H1作为Name。选择Options选项卡并设置 Coordinate system 为 Fractional。返回Atoms选项卡并设置a为0.56、b为0.47、c为0.70。点击Add按钮。 H原子出现在晶胞中。使用相同的步骤，添加第二个H原子，a = 0.47, b = 0.56, c = 0.70，并命名为H2。关闭Add Atoms对话框。c. 束缚表面原子在reactants.xsd中选择一个Pd原子，然后按住ALT键并在它上面双击以选 择所有的Pd原子。从菜单栏选择Modify | Cons train ts,打开Edit Cons train ts 对话框。通

10、过选中Fix Cartesian position 和 Fix fractional position 复选框固定 Pd 原子的 frac ti onal 和 Car tesian 坐标。关闭 Edit Cons train ts 对话框。d. 建立产物的结构使用reactants.xsd中的结构作为起点。在工具栏上点击New按钮旁的选项箭 头，从下拉菜单中选择3DAtomistic文件。在reactants.xsd中点击确保其为 活动文件。从菜单栏选择Edit |Select All然后在工具栏上点击Copy按钮。 在Projec t Explorer中，双击3D A tomis tic.x

11、sd使其处于激活状态，在工具栏 上点击Paste按钮。在文件上点击以取消选择任何对象。在Project Explorer 中右击3D A tomis ti c.xsd文件，从快捷菜单中选择Rename，输入名字produc ts。e. 改变结构中H原子的位置在 products.xsd中点击一个 H原子，它的 FractionalXYZ 坐标 显示在 Proper ties Explorer 中。定位到 0.47、0.56、0.70 处命名为 H2 的 H 原子，在FractionalXYZ文本框上双击，将这个原子的分数坐标改为0.333333、0.666667、0.414103。使用相同的步

12、骤，将 H1原子的坐标改为0.666667、 0.333333、0.414103。从菜单栏选择 Build | Bonds 打开 Bond Calculation 对 话框，选中Monitorbonding复选框，关闭Bond Calculation对话框。新结构中 在晶胞中心的每个Pd原子都键合一个H原子，键长为1.583 A.(2) 优化几何形状确保products.xsd是活动文档，在工具栏上点击CASTEP按钮并选择Calculation。显示 CASTEP Calculation 对话框。在 Setup 选项卡上，将 Task 改 为 Geometry Optimization，确保

13、 Quality 被设置为 Medium， Functional 设置 应该是GGA和PBE。选择Electronic选项卡并设置k-point set为Gamma，确 保 Pseudopo ten tials 被设置为 Ult rasof t。点击 More.按钮，打开 CASTEP Electronic Options对话框，然后选择SCF选项卡，在Density mixing下面， 设置Charge值为0.4。点击与该选项相关的More.按钮打开CASTEP Densi ty Mixing Options 对话框，改变 DIIS history list 值为 5。关闭 CASTEP D

14、ensity Mixing Opt ions 对话框。在 CASTEP Electronic Opt ions 对话框的 SCF 选项卡 上，确保Fix occupancy复选框未被选中。关闭CASTEP Electronic Options对 话框。点击Run按钮，关闭CASTEP Calculation对话框。对reactants.xsd重 复进行几何结构优化，确保使用与上面相同的设置。(3) 定义原子对从菜单栏选择 File | Save Project,然后选择 Window | Close Allo在 Project Explorer中，定位并打开包含优化结构的文件 products

15、 CASTEPGeomOptproducts.xsd 和 reactants CASTEP GeomOptreactants.xsd。从 菜单栏选择 Window | Tile Ver tically。从菜单栏选择 Tools | Reaction Preview。显示 Reaction Preview 对话框， 分 别选择 reactants CASTEP GeomOptreactants.xsd 和 products CASTEPGeomOp tproduc ts.xsd 作为 Reac tant 和 Produc t，点击 Mat ch.按钮。 显示Find Equivalent Ato

16、ms对话框，开始时应该看到0个原子被配对，8个 原子未配对。点击 Auto Find按钮。在 reactants栏中双击 2xH目录。使 reac tants 和 produc ts 3D Ato mis tic 被打开，在 Find Equivale nt Atoms 对话 框的reactants栏中点击7:H1，然后点击products栏中7:H1。在两个面板上 的H原子应该被选中，在 3D视图中应该是相同的。确认在 reactants和 products中这两个原子是彼此相对应的，点击Set Match按钮。在reactants栏 中点击 1:PD1，然后点击 Find Equivale

17、nt Atoms 对话框 products栏中的 1:PD1。两个面板上的Pd原子应该被选中，在reactants和products 3D视图 中原子高亮显示，是彼此对应的。照这样继续检查reactants和products中的 原子配对，直到得到满意为止。当正确地完成了所有的配对，满意之后，关闭Find Equivalent Atoms。在Reaction Preview 对话框中，确保 Number of frames 值为10。点击 Preview按钮，关闭Reaction Preview对话框。几秒钟内，一个名为 reactants-products.xtd的3D Atomistic轨

18、迹文件显示出来，将要在这个文件 上运行CASTEP计算。可以使用Animation工具栏上的工具播放轨迹文件动画。(4) 使用LST/QST/CG方法计算过渡态结构从菜单栏选择 Modules | CASTEP | Calculation，打开 CASTEP Calculation 对 话框。在 Setup 选项卡上，将 Task 从 Geometry Optimization 改为 TS Search。点击 More.按钮。在 CASTEP Transi tion State Search 对话框中，确保 Search protocol 被设置为 Complete LST/QST, Qual

19、ity 被设置为 Medium。关闭 CASTEP Transition State Search对话框。确保其余设置与执行时几何结构优化计算时相 同。选择Job Control选项卡，确保Automatic复选框未被选中，输入TS作为 Job description。点击 Run 按钮，关闭 CASTEP Calculation 对话框。确保TS.xsd为活动文档，在工具栏上点击CASTEP按钮，然后选择 Analysis，或者从菜单栏选择 Modules | CASTEP | Analysis。从 CASTEP Analysis 对话框顶部列表中选择Energy evolution，点击V

20、iew。一个包括过渡态搜索历史 的图表文件TS CASTEP TSSearchTS TSSearch.xcd显示出来。从工具栏选择Chart Viewer Selection Mode工具，双击TS.xtd。点击图上的不同点，以查看轨迹文 件中相应的结构。第二部分：实验调试与结果分析 三、调试过程（包括调试方法描述、实验数据记录，实验现象记录, 验过程发现的问题等）1建立气体H2模型。为使缩放过程明显，将H-H键长设为0.8埃H20.800IACalculation中设置如下，模拟结构中原子在计算力影响下的移动(3)劈开表面cleave Surface,51Surface Booc Surfa

21、ce Mesh Optionsfvlesh vsctaraSurface vectorsU: 0.5 -1 0.5Surface Eojc Surface Mesh | Optiors flesh vectoraSurface wdorsfvlesh lengths:Angle:4.765 A &0.C degrees2.751 AMedn lengths: Angle:4.765 A123.C degrees4765 ABox vohme /亡目I vourne:1.0Mesh originOrigin (a b c):Move ongStep si2eBoxvdume /cell vdum

22、e.Meii 口riginOrlgn 估 b c):Move along|o.o|.D|0.0v d1| Fractional |RecleaveHelp(4)移除出现在晶胞顶部的底层原子的对称图象Bond Calculation臣锋 Pd Cl ID*帰 lToniw bindingGdcuhfcsCpticnaP- Cslcuhrt# aonoKH/tlyP- Calouhrt bond typeK? Can1 用rt gprEsertatiordo Kjskul曰Etirrfrg 5 ch erne Connectiiy Cttore | |NDbondrata 5- andf-shel

23、=t |R&laad轸 Pd Cl 1 1) TLatticeLi u Meth厂 StackSbck i日cimCoIdt磧Labels田DBpiay style StYfe： |h4l Range: Mil A- J0 B 勻阿C：广 Nshk 厂 Dwhed In* 赫bn?武石 Pd (1 1 1) A內百 m LatticeDiaptaiy 町怙i-Lattic*广 Norel Daeed ln金UntLnt wldh:r aiekStck iadusCofcr Labd -axw :-!i=i Edning: 1 lartoeH* 口ra(5) 创建reactant文件锋 Rd i

24、i 1 i：iUrlEitleda6）添加 a=0.56, b=0.47, c=0.70 的 Hl 和 a=0.47, b=0.56, c=0.70 的 H2 原子 到Pd表面。束缚Pd原子2_H1屮:顾fjcctjpanQ:c:WdAdd Atom*| Options Ih?二OKdit Fracb口ridlXYIaEBan ent:Etaneni:Tempe 曲 DBiactDR(7)在products中改变两个H原子的坐标，并使每个H原子键合一个Pd原子* products *047-3&300 5&303030二 bticeI;CSodalBn 曲:日：ManKOsiddiai 定花：

25、慣 More hntiDpic 厂 Anstriropic厂 愉航鯛 厂Art呦nop底Help工工TklxlAGTFP Calcuhtion-.I务 producU * Edit FractionalXVZfl r.FOM-X-1 Bond Cakuhtion1*40 bondrg to e- aid f血ellOpt rare：P MoriiQrbzndnaiZabulate(8)优化几何形态，设置如下nil CA5TEP EJertrank Options.匚AS-TEPMixi ng QpL.SCFloteran:V.*atofn|PJay 耳I4a)t. SCFcrf匚l.Eric

26、o-tofT-Charge mcang ampJtLde-Lorrrtfgencw rdc-w:5CF 佃 lerat*:Chags mnn口 cidcd.|Densly r4xrg +BwlintmininiiierD iis n幽q民Dtn5tr- mmngk-panl Lphmi叩 arrludE：pJlraSSkre-.Epine前ng tulalhoccupantFk KCMMisycongdicn：Yfl 一:佩.Jz fl559WK=u)poten1bdi Waaniaiion： list cere hdeBtfidng Sdncnir | Cwirdivr Optore Ere

27、fy tdera-ciM per. |闵酗JIDduCtiReload |Z|X|rEpn:-:d spaceBa晌SCF kiMiniE | Pfflaniiala |kMum2600 eVCanedApply| h*bdijm优化后两原子文档如下(9)对products和reactants的优化结构中的原子进行配对(第一张为失败时截 图)P id du ct忖umtei 口l-l:iamwccdUatnh .inccrnpallbie- documerTicJJl Reaction Prewiem匚f亡州UH Lri piQdjdt初始无匹配liOptPndud:Tt Zes CQMpie

28、i日 rnaohOmald-iibJ alcana &Ur-HB-_I 6x.Fd3D ALoni st l-2-乩曲0 m出ched dtorra B unmatched atoneDocumerne dont have a carpieae matohI- SiJLi&irrpffis sHuctuies1 3D A.t Qk L E . KKdk石 3U AtKt L d lz . K Kdk |匡I (gill 百 maiohd dtomsF (ad 5 iYisichd aUinm巨 Sfii 2 L$! 7； hl S: h? 3: hJ(10 )配对后 Preview,事 先确保

29、 number of frame 值为10 ,得 reactants-products.xtd 轨迹文件(11)使用LST/QST/CG方法计算过渡态结构。设置截图如下回products CASTG GfeomOpV-/eactarBU-produd:& *k-ports | Pdefrids |Bass SCFSCFtdarance:SedrcCKrnnrriECjrC*BTt2ty msnga03Setup EkdroncQDnvrjqjencefflndniv:Cttxlal gzesxyI FDiMfeCflTCCtlDn闭口 h dpale COTiDn.皈ng Ectiefw:13

30、Fir | Fies. Hep逊 | Beclrori; hjertis 如阮TLi;/長：oesepiia 1RunnpEilElcn: ol 4 cosCfiniE runoEr cf cfs cr the得TS.xsd文档。对此文档进行Analysis,选择Energy evolution,点击view,得 TS.xtd及TS TSSeaarch.xcd图表文件。点击图上不同点可查看轨迹文件中相应结 构。三 | U1.在 TS.CASTEP 中搜索 Transition State Found,结果如下四、实验结果及分析（包括结果描述、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等）rea

31、ctants CASTEP GeomOptTS CASTEP TSearchTSCASTFP Transition State Searcl| | Erictgy vk. LST path i n/| Enct-gy vc.匸匚 pach i 匡Ir-arttaon tiD.+口.&O.BPath CcxsrdlnateNE est-. OK energy (E-0. STS)=-4B13.517448234 eVTransition 沆泣包 F cumiL reactants CASTEP GeomOptTS CASTER TS.回衍CAST EP T ransition State Sea

32、rchTELE-4516,5-1DL7-45i7.E工IBL目-+316.5TDLm回 Erwrg/ys. LST path 1 v| Energy vs. CG p-th 1 回-4Sl1-.5勿 reactants castep GeoniQptTS castep tss|苍一|一Lx reaciants castep GeomOpEXTS 匚ASTER tss.,. I IS-.色占Energy of reactant:Energy of produc七：Energy of transitian state:Location of transit-ion ate : Barrier fr

33、om reactant: Barrier from product:Energy of reaction:-4819.58713 eV-4819.52148 eV -4819. 55248 eV0.700290.034S5 eV -0.03100 eV0.065S5 eV得(1)反应能量：0.06565eV(2) 来自反应物的能垒：0.03465eV(3) 来自产物的能垒：-0.03100eVPath CcHjrdliiiiiity2点击TS Search图中不同点，可在TS.xtd中查看相应结构召sumCASTEP Transition State Search-柏i占”w-1816,5-4

34、317 =-48-7.5 -4310 - -161B.54A19-9839.5n.60,8LLZPath CoordinateFT Energy vs. L5T pdth 1 回 Enetgy vs.匚石 pa tn L 回 Traretbri stah通过TS Search亦可得出反应活化能（起始点至反应峰顶）：E =-4815.97- (-4819.59) =3.62eVa五. 思考题1、反应势垒是什么？答：物质在发生化学反应时，需要先破坏原有的化学键，这样就需要一定的能量, 这个能量称之为化学势垒2、研究和了解反应的过渡态有什么意义？答:反应的过渡态：在反应物相互接近的反应进程中，出现一个能量比反应物与生 成物均高的势能最高点，此势能最高点相对应的结构称为过渡态。过渡态被认为是 化学反应路径中所要经历的一个中间结构，极不稳定。意义：研究和了解反应的过渡态可以认识化学反应的速率与分子结构的关系，可以 形象了解基元反应的进程，可以了解一个化学反应的进行过程。