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聚合物建模

版本要求不低于AMS2020.101。本文以高抗冲聚苯乙烯(HIPS)为例演示AMS的聚合物建模功能。

HIPS是一种低成本、易生产、易加工、低强度、抗冲击的热塑性塑料,是一种接枝聚合物,主链为聚苯乙烯,各向分支为聚丁二烯链。

一、单一组分聚合物建模

1,导入单体、设置“连接点”

这里以纯的聚苯乙烯为例进行演示。AMSinput → Edit → Polymer… → Add monomer:输入styrene,窗口左边出现苯乙烯单体:

其中1A、1B是苯乙烯的两个连接点,形成聚合物时,各个单体间通过这两个点连接形成聚合物。

用户也可以选择其他H原子作为连接点:选中H原子,点击窗口右边的“Set link point”旁边的“Replace”按钮,该H原子就成为了新的连接点。下面的步骤中,用户可以根据需要指定连接方式。

用户也可以自建单体:在AMSinput中,创建分子或通过File → Import Coordinates导入分子均可。然后自定义“连接点”即可进行后面的操作。

2,设置连接方式

设置聚合物的单体数量:Mononmer repeats输入单体数量,例如200,则生成的聚合物包含总共200个单体。

点击“Links”旁边的➕,选择连接方式,例如:

权重是描述这种连接方式,在聚合物中的占比。用户只要输入相对比例即可,程序会自动计算百分比。例如这里只有一种连接方式,所以默认weight为1。如果有多种连接方式,如果各种占比相同,则可以都用默认weight:1。用户可以灵活调整该数值为正数即可。

随机性:勾选Random seed选项,程序会自动随机地生成聚合物结构。当然对于纯的聚苯乙烯而言,确定了两个连接点,实际上就没有随机性了。但是有多种组分的时候,随机性就会发生作用了。

点击“Generate”按钮,窗口中将生成200个单体的聚苯乙烯:

3,使用力场优化分子结构

点击“Close”按钮,关闭建模窗口,切换到Force Field模块优化分子结构:

File → Save as保存并运行任务。任务结束后,窗口弹出是否更新分子结构的提示,点击yes,将得到合理的聚合物分子结构。提交任务更详细的设置,参考:正式版的安装、维护与升级

二、HIPS的建模

1,导入单体、设置“连接点”

打开AMSinut,如上类似的方式,导入styrene、1,4-butadiene,或者用户自建这两个分子,或通过File → Import Coordinate导入两种分子。导入之后,用鼠标右键将两个分子拖开,便于分别设置两个分子。创建、选中、移动分子等基本操作,参考:AMS的基本建模功能(视频)

2,设置连接点、连接方式

通过“Add Monomer”按钮导入的单体,默认包含两个连接点。HIPS的支链是从苯乙烯末端C原子生长,因此该C原子上的另外2个H也可以设置为连接点(分别叫做1C、1D,当然如果是用户自建或通过File → Import Coordinate导入的分子,连接点全部需要用户设置,名字的顺序不太一样,但是不影响这个过程):

并设置连接方式如上图所示。1A与1B连接,形成聚苯乙烯主链,1C、1D与2A连接,形成两个方向的支链,2A与2B连接,让支链生长。因为不希望支链太长,所以Weight的设置上,2A-2B连接的权重设置的很低(0.1)。

单体的总数目设置为300,如上图所示。勾选了Random seed,因此每次创建的模型,可能都不一样,是随机的。

设置完毕,点击“Generate”按钮,则逐渐生长出聚合物,最终生成总共300个单体的聚合物。

切换到UFF模块,并优化结构,得到聚合物:

三、聚合物固体的建模

如上只是建立了聚合物分子,从聚合物分子生成固体,需要先创建低密度分子混合物,然后逐渐将其压缩。之所以创建低密度分子混合物,是因为采用Packmol随机刚性堆叠时,分子的间距是有要求的,一般分子间最小距离不小于 2.5 Å,因此刚性堆叠并不能生成高密度体系。

过程参考:【入门基础教程】创建高密度大分子固体、分子动力学压缩与拉伸