Materials Studio官方教程（Help-Tutorials）- 原子粗粒化为珠子

背景：构建粗粒化，或者珠子，即是将原子转化为珠子。利用介观分子的搭建工具即可以构建出感兴趣的模型，也可以直接将原子模型转化为珠子模型。这部分将使用粗粒化工具生成原子模型的珠子，依据聚合物的单体使用简单的重复单元粗粒化聚合物，使用一定的模式生成结构的珠子模型，不需要其他信息。

目的：本小节介绍如何使用粗粒化工具。

本教程重要节点：

使用重复单元粗粒化聚合物-用patterns粗粒化纳米管-聚合物和药物混合体系的粗粒化

1.使用重复单元粗粒化聚合物

如果分子直接含有重复单元，或者蛋白质数据为PDB格式，即可直接将其转为珠子。一般将原子模型转为珠子模型分为两步：

（1）找到分子中的不同珠子；（2）生成珠子模型，这部分将完成这些步骤。

首先，使用共聚物搭建工具搭建嵌段共聚物：5个ethylene单体和5个oxyethylene。

这个结构含有乙烯和氧乙烯两个主要的单体，即给出两种珠子的类型。然而，为了进一步保留原子结构，粗粒化对于氢的存在是非常敏感的，所以终止单体单元会具有不同类型的非终止单体单元。

从工具栏选择Build/Build Mesostructure/Coarse Grain以便打开粗粒化对话框，或者直接点解Mesostructure工具条中的。

粗粒化即寻找子结构，并将它们与现存的结构进行匹配。主要有三种方法完成粗粒化：

Patterns-使用一个包含可以针对目前的结构匹配的现有标记结构的研究表；

Motion groups-使用运动组将现有结构定义为珠子；

Subunits-使用子结构或者重复单元信息。

一个简单的结构可以使用以上方法中的一种或者两种的结合。

在这个例子中，可以使用重复单元数据进行粗粒化，这样每个重复单元是一个珠子。在对话框中子结构是默认的设置，不需要做任何改变。

默认情况下，确定珠子的类型和创建介观结构是一步完成的，但是这不能精确的控制珠子的名称。可以禁用自动创建或者更新类型文件Study Table。

不选择Automatically update typing document选项。

下一步即是确定分子中的唯一子结构。这些会储存在一个study table，这样可以在粗粒化前进行查看和编辑它们的名称。

在Bead typing部分，点击Create。会自动产生含有原子结构和珠子类型名称的Bead Typing.std。

双击Structure列中的ethylene，即可打开结构图，这是终止性乙烯重复单元。可以更改这个结构的名称，这样产生的珠子可以拥有一个描述性的名称。

在Bead Type Name列，将ethylene改为ethylene_terminator。关掉ethylene的结构，双击打开ethylene（2）。

第二种乙烯重复单元的类型为链中重复单元，可以更改这个结构的名称，重复上述步骤即可。采取同样的操作步骤，将oxyethylene(2)改为oxyethylene_terminator。

接下来将描述名称分配给结构，这样可以产生聚合物的珠子模型。

将Blockethyleneoxyethylene.xsd文档激活，点击Coarse Grain对话框中的Build按钮。即可产生一个Blockethyleneoxyethylene CG.xsd文件，包含聚合物的珠子模型，在主链中终止的单体单元和其他单体单元以不同的颜色显示。

当产生珠子模型时，自动产生指定名称的新珠子类型。这个可以按照以下步骤操作检查：

从工具栏中选择Build/Build Mesostructure/Bead Types，在打开的对话框中选择ethylene_terminator，点击Properties…按钮；即可查看珠子的相关性质。

注意：可以使用Bead Type Properties dialog对话框更改珠子的默认颜色。

在进入下一部分之前，保存这个工程，从MS Modeling 菜单栏中选择 File/Save Project。最后关闭所有窗口，选择Window/Close All。

2.用patterns粗粒化纳米管

碳纳米管有许多苯环组成，可以使用苯环作为子结构，或者使用更大的重复单元。在这个例子中可以使用由与六个苯环链接的苯基环组成的模式进行纳米管的粗粒化。这个例子中的粗粒化模型参数是使用了Liba等人进行碳纳米管的相互作用模拟中的模拟参数（Orly Liba, David Kauzlari, Zeév R. Abrams, Yael Hanein, Andreas Greiner, and Jan G. Korvink, “A dissipative particle dynamics model of carbon nanotubes”, Molecular Simulation, Vol. 34, No. 8, July 2008, 737-748）。

第一步为建立碳纳米管：选择Build/Build Nanostructure /Single-Wall Nanotube打开搭建单壁纳米管对话框。

将会建立一个与Hanein等人计算使用的相似模型。在这个例子中，将要建立两个相同的碳纳米管，一个用来粗粒化，另一个用来生成平板。

在单壁纳米管对话框中操作，不选着Periodic nanotube；将Repeat Units设为41；点击Build两次，然后关闭对话框。

将会产生两个分开的.xsd文件，每一个都含有长度约100Å的纳米管。

接着对SWNT (2).xsd文件进行编辑，将其中的大部分原子删掉去创建一个模式。较快的方式为使用3D Viewer Selection tool移除不需要分原子。

在默认的纳米管窗口，选择管的一半，然后选择Delete键进行删除。旋转纳米管直到长轴横穿屏幕。使用3D Viewer Selection tool去选择和删除其他原子，直到达到模式结构如下图所示。然后将其命名为C24_rings.xsd。

有些情况，可能用到很多模式进行粗粒化。所以，可以将多种模式储存在Study Table中。注意：可以使用Study Table建立一个模式数据库。

创建一个新的Study Table文件，命名为patterns.std。在Project Explorer中，右击C24_rings.xsd，从菜单中选择Insert Into。在Study Table文件中的第一列即插入了C24_rings的结构，接着就可以使用这个模式进行粗粒化。

打开Coarse Grain对话框，在Method部分中选择Patterns，然后在下拉菜单中选择patterns.std；不选择Subunits。可以进一步预览原子结构和珠子结构中的匹配。

将SWNT.xsd激活，然后在Coarse Grain对话框中，点击Preview按钮。

接着将会看到大部分的原子被定义为运动组。然而，用C24_rings模式不能将全部的碳纳米管匹配。一个警告会出现（如下图所示），这些不匹配的原子会被粗粒化工具选中。在这个例子中，没有模式能够匹配所有的原子，所以不能被匹配的原子应该删除。

在警告菜单中，点击OK。然后点击SWNT.xsd窗口，选中右键下拉菜单中Delete。

这样多余的原子被从碳纳米管中删除，运动组定义了每个与模式匹配组中的原子。在上面那个例子中，创建了含有类型文件的Study Table，这样就可以编辑珠子的名字。在这个例子中，我们已经定义了模式的名字，所以不需要在类型文件中定义珠子类型名字。一个类型文件的Study Table会自动更新。

在Coarse Grain对话框中，选择Automatically update typing document，然后点击Build。

这个Study Table中含有的原子分组和珠子类型都是自动更新的；生成了含有单壁纳米管的粗粒化模型SWNT_CG.xsd结构。

在进入下一部分之前，保存这个工程，从MS Modeling 菜单栏中选择 File/Save Project。最后关闭所有窗口，选择Window/Close All。

3.聚合物和药物混合体系的粗粒化

粗粒化，不局限于模式或子结构，但在适当的情况下可以结合使用。为了证明这一点，我们将对含有药物和聚合物的混合体系进行粗粒化。我们将定义一个模式来粗粒化药和肉桂，使用聚合物的重复单位来粗粒化聚合物。含有肉桂和聚氧乙烯三维周期结构已提供。

从Examples\Documents\3D Model\polyoxyethylene_cinnamide.xsd输入结构。这个结构由3个肉桂分子和10个聚氧乙烯分子组成。

创建一个新的3D Atomistic Document，命名为cinnamide.xsd。然后激活polyoxyethylene_cinnamide.xsd，选中原胞中的一个肉桂分子，复制到cinnamide.xsd中。

这样可以使用整个分子作为一种新的模式进行粗粒化，单个珠子取代每个分子。在这个例子中，我们将使用一个更细粒度的模型，其中每个分子都被含有5个珠子的介观分子替换，每个约含2个非氢原子。

在模式文件中可以用运动组指定所需的原子分组。在粗化这个分组将被转到结构中的每个匹配部分。这种方式，每个分子以同样的方式进行粗粒化，而无需一个一个地分配运动组到所有分子。

在cinnamide.xsd文档中对酰胺基、侧链上的环氧基和环上3个组的原子创建运动组，将其定义为对应于珠子的原子组。

因为在纳米管案例中，已经生成了一个patterns.std文件，在这里我们可以直接将结构插入其中，将其用作一个模式。

激活patterns.std，在Project Explorer中选择cinnamide.xsd，然后右击下拉菜单中选择Insert Into。

现在已经准备好进行粗粒化。对于这个例子，会产生类型文件，然后分为两个步骤进行构建。

接着激活polyoxyethylene_cinnamide.xsd，打开Coarse Grain对话框，选择Subunits 和Patterns，点击Update按钮。

珠子类型Study Table文件被面板上唯一的组和结构中的子结构更新。应该可以看到，以前的氧乙烯结构类型保持不变，但增加了4个新珠类型。

珠子类型结构CH2NO、C2H2、C2H对应面板中的组；边链中的C2H2和环中组对应相同的珠子类型，因为它们有相同的构象。

保留下的新珠子类型结构对应着端基为羟基的氧化乙烯，可以将名字改为更具有描述性的。

在Bead Typing.std中将Bead Type Name中的OXYE_2改为oxyethylene_terminator_2。

接着将周期性结构进行粗粒化，

激活polyoxyethylene_cinnamide.xsd，打开Coarse Grain对话框，然后点击Build按钮。

生成一个新的polyoxyethylene_cinnamide CG.xsd文件，包含粗粒化的聚合物和从图样结构自动粗粒化的肉桂。

本入门教程到此结束。