Materials Studio官方教程（Help-Tutorials）- 使用聚合物建模工具

简介：Materials Visualizer中的聚合物建模工具使得建造聚合物变得更加容易。聚合物建模工具囊括了一个常见单体数据库，同时也支持定制的重复单元。可以构造同聚物、嵌段共聚物和随机嵌段共聚物，并控制不同的性质如立构规正度。Materials Visualizer也允许构造分叉枝状聚合物。

目的：介绍聚合物搭建，可用于构建均聚物、嵌段共聚物、无规共聚物和树枝状聚合物。

本教程重要节点：

构建均聚物-构建嵌段共聚物-构建无规共聚物-构建树枝状大分子

1.构建均聚物

可以使用任何聚合物建模工具构造那些基于定制重复单元或者从扩展数据库得到的重复单元的聚合物。第一个例子将演示如何使用自定义的重复单元，后面的例子将使用预定义重复单元。

a)    建造一个重复单元：

首先我们建造一个苯乙烯分子，由它得到的聚合物叫做PPV。我们绘制一个苯乙烯分子。

 b)  设定头部原子和尾部原子

将鼠标设定为选择模式。并从Build的Build Polymers下选择Repeat Unit，在弹出的对话框中设定头原子和尾原子。

选定标记为头原子的氢原子，并在对话框中按下Head Atom按钮。该原子上出现蓝色环，表示为头原子。同样可以定义尾原子，尾原子用红色的环来显示。

最后，在构造聚合物前，将单体进行命名，这样可以在有多个聚合物文档存在的时候很容易地找到。

在Properties Explorer中，将文件改为期望的名称。

c)    构造聚合物

现在可以构造并定义新的单体。要构造均聚物，需要使用Homopolymers对话框。

从Build的Build Polymers下选择Homopolymer，弹出均聚物对话框

Polymerize栏列出了可以使用的重复单元库。要使用刚绘制的分子，需要在Library中选择Current Project，然后从相应的Repeat Unit下拉菜单中选择所要的重复单元，如有多个重复单元，则会一一列出

在这里我们想要构造由20个单体构成的聚合物，请在Chain Length中输入20。完成后按下Build按钮

2.构建嵌段共聚物

点击Build/Build Polymers，选择Block Copolymer

弹出的对话框包含三个部分：Polymerize包含初始的嵌段定义部分；Advanced栏包含起点和终点信息；而Branches栏则包括聚合物连接分支信息的选择项。

a)   指定重复单元

首先加入重复单元和嵌段尺寸。在这里，我们要构造一个包含有5个聚乙烯氧化物、10个聚丙烯氧化物和5个聚乙烯氧化物的聚合物。

在Repeat Unit的空白部分双击鼠标，在弹出的对话框中输入相应的信息。

Flip probability是聚合物中头-头或尾-尾相连的可能性，如果只想有头-尾相互作用，就保留该值为零。

重复以上操作，直到所有的单体都加入到对话框中。

b)   建造并且操纵聚合物

最后一步是建造嵌段聚合物。按下Build按钮会出现新的聚合物。如下所示：

注意：这只是嵌段聚合物的一个单元，如果需要构造多个单元，那么需要使用Number of superunit选项。在Number of superunit中输入2，会出现两个连接在一起的嵌段聚合物

如果只是想产生两个独立的聚合物链，那么需要在Number of chains中输入相应的值。再通过以下方式进行分离：

首先选中链上的一个原子，单击右键选择Select Repeat Unit，单个重复单元会变为黄色，双击该重复单元会选中整个链。按下Shift和Alt，并按下鼠标右键可以将其分离开来。

3.构建无规共聚物

本节将构造丁二烯和丙烯腈所组成的无序混合物。

我们将构造两个共聚物，一个具有默认的值，两种单体的比例为50:50；第二种化合物中丙烯腈和丁二烯的比例为20:80。

点击Build/Build Polymers，选择Random Copolymer

无规共聚物对话框与嵌段共聚物对话框相类似。

首先确定单体类型和聚合物的尺寸。

分别加入丙烯腈(acrylonitride)和丁二烯(dienes)，并将链的长度设定为20。

现在有两种方法构建聚合物链：Probabilities或者Reactivity Ratios。

Probabilities：给出每一个单体在下一步反应中连接到环上的可能性，并可以用于模拟浓度。

Reactivity Ratios:用与实验合成相类似的方法测定共聚物成分。要求输入反应物浓度和多种连接选择的速率常数。   

a)    使用Probabilities构建聚合物链

在Probabilities栏设定可能性。对话框中会出现可能性矩阵。该矩阵是按行来进行读入的。在本例子中，第一行表示，在聚合物链中，当上一个单体是cis-butadiene的时候，与之相连的下一个单体有50%的可能性是cis-butadiene，50%的可能性是acrylonitrile；第二行表示，当上一个单体是acrylonitrile的时候，与之相连的下一个单体有50%的可能性是cis-butadiene，50%的可能性是acrylonitrile。默认值是0.5，对于我们要求的组分比例为50:50来说刚好合适。

由于不需要设定端基，所以可以忽略掉Advanced栏，直接进行Build操作。

对于丙烯腈和丁二烯的比例为20:80的情况，由于丁二烯的含量比较多，意即丁二烯连接到分子上的可能性更高。在设定的时候，可以将其设定为20:80(第一个输入的是丙烯腈)。

输入完毕后按下Build按钮就可以得到合适的聚合物。

b)    强制使用浓度

对于无穷长度的聚合物来说，使用Probability会更加真实，但是对于有限长度聚合物来说常常会有效小的偏差。要保证20:80的比例，也可以在Polymerize栏中使用Force Concentrations选项。

选中Force Concentrations选项，并按下Build按钮

如果重复构造了几次聚合物，就会发现每次重复单元的比例是一个常数，因为浓度被限制了。当想得到一个具有精确单体重复单元比例的聚合物时，该选项非常有用。

4.构建树枝状大分子

树枝状大分子是从中心核心生长的支链化合物。在本节中，您将使用“树枝状聚合物”对话框逐层构建树枝状聚合物。此对话框还为您提供了在一个步骤中构建多个层的选项，但第一种方法将帮助您可视化构建过程。

a)    建造分叉枝晶聚合物

一开始需要指定种子和重复单元。

从Build下Polymers选择Dendrimer

弹出如上所示对话框。

在这里需要在Seed中选择种子(ammonia)，作为聚合物生长的核心；此外，需要在Repeat Unit部分指定重复单元(35dihydroxy_benzyl_alcohol)，在Number of generations部分可以指定层的数目，在这里我们选择1。按下Build按钮可以得到相应的聚合物

如下图所示：

绘制结束后我们需要对结构进行整理。如果需要添加更多层，由于程序自动从Create a new dendrimer变为Add generations to constructed dendrimer，我们可以直接建造更多层体系。

b)    为分叉枝状聚合物上色

可以使用Edit菜单下的Atom Selection命令，来选择不同层次的原子；在Display Style中设定原子的颜色。

本入门教程到此结束。