BIOVIA Materials Studio

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超详细的-使用Materials Studio软件进行径向分布函数(Radial Distribution Function，RDF)分析

一、理论简介：

径向分布函数（Radial distribution function, RDF）是一个在凝聚态物理中频繁使用的参数，它描绘了粒子密度如何随着距离的变化而变化。具体来说，RDF是在r到r+dr之间的平均粒子密度比上总平均的粒子密度。换句话说，如果我们有一个参考粒子并想知道其他粒子在空间中的分布几率（离给定粒子多远），那么我们可以查看RDF。

对于紧密排列的系统，RDF会先快速达到峰值，然后降低到1。这是因为当粒子之间的距离减小时，相互之间的影响也会增大，从而使得粒子密度增大。然而，当粒子之间的距离达到一定程度后，相互之间的影响开始减弱，因此粒子密度也会随之减小。

在实际应用中，RDF具有广泛的应用价值。例如，通过分析径向函数，我们可以判断每个原子在某个半径内所有受到作用力的情况。这在分子模拟中尤其有用，因为分子间存在的相互作用力是研究的重点。此外，径向分布函数还可以描述聚合物链在空间中的延伸，是表征链构象的重要参数之一。

图1 径向分布函数概述图

二、模块简介：
那么在Materials Studio软件中怎么操作呢？下面与东小软一起Look一下：

在Materials Studio软件中，有两大模块可以直接进行径向分布函数的分析，首当其冲的是分子力学领域的核心模块-Forcite Plus模块，这是一个先进的经典分子力学工具，含有一组全面的包括从简单分子到二维表面到晶体这样的分析工具使模拟人员可以分析类似密度变化这样的简单性质到计算偶极相关函数这样的复杂性质。

三、操作简介：
Forcite Plus分析使用1 Å3的参考体积。为了比较有无周期性边界条件的模拟，后者得到的g(r)必须乘以前者使用的单元格体积（以Å3为单位）。随着r的增大，g(r)趋向于1。

Structure/Trajectory:一个有效的3D原子文档（.xsd）或一个3D原子轨迹文档（.xtd），这个文档的文件名将会显示在文本框中。如果想选择当前活动的轨迹文档的特定帧进行分析，点击按钮以访问轨迹规范对话框。默认情况下，除非指定特定帧，否则当前活动的轨迹文档中的所有帧都将包含在分析中。

这个控件的名称会随着当前范围内的文档的性质而改变。

Sets＆Cutoff：在Forcite Plus模块中，径向分布函数可以针对一个或两个原子集合进行计算。在单一集合的情况下，该函数会计算集合中所有原子或质心的配对，这些配对的距离小于截止值。对于两个集合，该函数会计算每个独立集合内的所有原子或质心的配对，以及包含来自每个集合的一个原子或质心的所有配对，忽略所有距离大于截止值的配对。

Interval：指定径向分布函数计算的bin宽度，单位为埃。由于径向分布函数是作为直方图计算的，较小的bin宽度会导致更多的bin和更精细的分辨率图。然而，当bin的数量接近数据点的数量时，图的分辨率将会降低。

Include intra-/intermolecular components：在执行径向分布函数计算时，Forcite允许我们选择生成径向分布函数的分子内和分子间组分的单独图表，除了总的径向分布函数。

Include periodic self-interactions:包括周期性自我相互作用：当选中时，表示将在计算中包括原子或质心与其周期图像之间的相互作用。默认值 = 选中。如果截止距离大于最短的单元向量，并且在计算中包括周期性的自我相互作用，径向分布函数可能会显示出与单元向量长度相对应的显著峰值。

Structure factor：我们还可以选择在运行过程中计算结构因子。结构因子是从径向分布函数的傅立叶变换中得出的，也可以通过X射线和中子衍射实验测量，这为与模拟进行比较提供了有用的信息。

设置径向分布函数计算的步骤如下：

1.      将经过几何优化与动力学弛豫后的稳定结构至于当前，从菜单栏选择Modules | Forcite | Analysis，以显示Forcite分析对话框。

2.      从对话框顶部的网格中选择径向分布函数（Radial distribution function）。

3.      确保要分析的3D结构文档是当前文件。文件的名称将出现在Structure/Trajectory文本框中。

4.      如果希望指定来自轨迹文档的特定帧进行分析，点击按钮以显示轨迹规范对话框，并在Frame filter文本框中输入适当的帧编号。

5.      如果需要，将计算限制为一或两个特定的原子组，可以通过从集合下拉列表中选择预定义的集合，或者通过在结构中手动选择希望包含在计算中的原子来实现。

6.      手动选择原子只允许定义一个集合。如果希望计算两组原子的径向分布函数，你需要在开始分析之前定义集合。这最好是使用原子选择或查找模式工具来完成的。

7.      指定原子间Cutoff以限制参与计算的原子对的数量（一般cutoff设置为结构三边最短的一半），并设置Interval以调整径向分布函数图的分辨率。

8.      如果需要径向分布函数的分子内和分子间组分的单独图表，除了总的径向分布函数，请勾选包括分子内/分子间组分复选框。

9.      如果希望在运行过程中计算结构因子，请勾选结构因子复选框。为结构因子计算指定原子间截止距离和频率间隔。

10.      点击Analyze按钮。结果分析：

峰值：径向分布函数图的峰值表示在某个特定距离上出现原子的可能性。峰值的位置可以反映出原子间的平均距离。

峰宽：峰宽反映了原子间距离的分布范围。峰宽越大，表示原子间距离的分布范围越广。

峰高：峰高反映了在某个距离上出现原子的概率。峰高越高，表示在该距离上出现原子的概率越大。

峰的数量和分布：峰的数量和分布可以反映出体系的结构特性。例如，常见的晶态结构中每个原子的位置都是固定的，是有序的结构，其径向分布函数具有长程的峰，而对于非晶结构，其径向分布函数一般只有短程的峰。

四、视频教程

别着急，上述只是文字操作，如果想要更像生动形象的视频，东小软也悉心为您准备啦，点击以下链接可以直接观看~~~~
【Materials Studio Forcite模块-RDF径向分布函数分析】 https://www.bilibili.com/video/BV1EN411A7LG/?share_source=copy_web&vd_source=0795c81567f7e76676a818259a8ffcda

要在 Materials Studio 中使用径向分布函数（RDF）分析耗散粒子动力学（DPD）模拟胶束自组装中胶束质心的 RDF，你可以遵循以下步骤：

步骤一：准备模拟数据
运行 DPD 模拟：使用 Materials Studio 中的 DPD 模块来模拟胶束自组装过程。
收集数据：确保模拟运行完成后，得到所需的数据文件，包括胶束质心的轨迹信息。
步骤二：打开 Materials Studio
打开分析工具：启动 Materials Studio，并选择用于分析的适当模块（如 Forcite 或其他分子动力学分析工具）。
加载数据：导入模拟输出的数据文件，以便进行后续的分析操作。
步骤三：计算径向分布函数（RDF）
选择质心坐标：从加载的数据中选择胶束质心的坐标数据。
计算 RDF：使用 Materials Studio 中的分析工具来计算胶束质心之间的 RDF。选择两个胶束质心之间的距离作为关注的对象。
使用 RDF 工具计算所选胶束质心之间的距离分布。
步骤四：分析结果
解释 RDF 曲线：分析得到的 RDF 曲线，观察峰值位置和形状。
关联胶束结构：RDF 曲线的峰值和形状可提供关于胶束结构和组装方式的信息。例如，峰值位置可以指示胶束之间的平均距离，峰值的形状和数量可以反映胶束结构的对称性和密度分布。
注意事项：
在计算 RDF 时，确保选择合适的分析参数和模拟数据，以获得准确和可靠的结果。
对于特定的系统和模拟条件，可能需要调整分析设置和参数来获得最具信息量的 RDF 结果。
Materials Studio 提供了详细的文档和教程，可以帮助你更深入地了解如何使用其分析工具进行 RDF 分析，并优化分析步骤以适应你的研究需求。
请注意，具体操作步骤可能因版本或软件更新而略有不同。如果你在操作过程中遇到困难，建议查阅 Materials Studio 的官方文档或寻求专业支持以获取更详细的指导。

对于MS中图像显示的问题，在确定不是其他硬件方面（电脑自身）的原因的前提下，可以按照以下步骤方法：
1. 打开MS（Materials Studio）界面。
2. 点击工具（tools）。
3. 选择选项（options）。

4. 点击图形（Graphics）。
5. 检查其中的选项是否已勾选。
6. 如果未勾选，请全部勾选。
7. 重新启动MS。
8. 如果已经勾选，请全部取消勾选。
9. 重新启动MS。
通常情况下，上述方法可以解决大部分MS软件中图像显示的问题。

在Materials Studio中，构建晶体的晶胞结构是一项关键任务。为了成功完成这一任务，您需要掌握以下三个重要信息：空间群、晶格常数和原子坐标。

首先，让我们来了解一下空间群。空间群是描述晶体对称性的一个重要参数。它决定了晶体中各个原子的位置关系以及晶体的整体形状。以225号空间群为例，由于要求a=b=c，α=β=γ=90°，实际上只需要调整一个参数即可。这意味着在这个空间群中，晶体的三个边长相等，且三个角度均为90度。通过选择合适的空间群，您可以确保晶体的结构符合预期。

其次，我们需要了解晶格常数。晶格常数包括晶胞尺寸和夹角。对于Ag晶体来说，我们可以将晶格常数设定为4.0857Å。这个值决定了晶体中原子之间的距离和相对位置。通过准确设置晶格常数，我们可以确保晶体的结构与实际材料相符。

最后，我们需要确定原子坐标。原子坐标描述了晶体中各个原子的位置信息。以ZrO2晶体为例，我们可以在XYZ坐标（0.25，0.75，0.25）的位置添加O原子，同时在坐标（0，0，0）的位置添加Zr原子。通过准确指定原子坐标，我们可以确保晶体中的原子按照预期排列。

综上所述，有了这三个关键信息——空间群、晶格常数和原子坐标，您就可以在Materials Studio中成功构建晶体的晶胞结构了。这些信息的准确性和完整性对于获得可靠的模拟结果至关重要。因此，在进行晶胞结构构建时，务必仔细考虑并正确输入这些信息，以确保您的研究工作能够顺利进行并取得理想的结果。

BIOVIA Pipeline Pilot是一款科学数据分析和工作流程管理软件，由美国BIOVIA公司开发，广泛应用于实验室信息学中。它不仅用于企业级软件实施，也服务于不同软件之间的数据传递，帮助用户解决系统集成的挑战。

在功能上，Pipeline Pilot为用户提供一系列“标准化”，“结构化”的数据处理组件，可实现各种格式数据提取，数据查询，数据转换、数据分析，以及定制化分析报告等。从文本挖掘、化学信息学、ADMET到序列分析和报告，Pipeline Pilot提供了一组丰富的“开箱即用”的工具包来实现常见的可重复使用的工作流任务。例如，你可以使用Pipeline Pilot提供的算法组件，或者使用开源的科学数据处理和转换算法，在Pipeline Pilot平台构建出工作流的自动化执行任务，实现基因序列的子结构或者相似性搜索，读取基因组数据或者孔板数据集，使用复杂的算法分析图像，对齐基因序列数据，修剪短片段或长片段基因系列，评估运行质量。

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在材料基因组项目中，分子模拟起着至关重要的作用。科学家可以利用分子模拟找出元素间的相互作用对材料的种类和性质带来的广泛影响，以此为基础，期望以更短的周期为不同应用“定制”相应材料。

分子模拟的运行可以分为两个方面：一是依据实验数据推测研究对象的三维结构和理化性质；二是利用第一性原理方法进行尽可能准确的预测，如量子化学方法和力场计算方法。

此外，随着材料基因组计划（MGI）的提出以及大数据技术和人工智能技术的飞速发展，基于数据驱动的新材料设计得到了广泛的关注，并逐渐成为新型材料研发的重要方法。例如，通过机器学习等技术加速实现由传统的实验驱动、理论驱动向数据驱动、智能模型驱动创新模式的转变。

值得一提的是，王院士（王崇愚，我国材料基因组计划的积极倡导人和推动者之一）向我们介绍了材料基因组中高通量实验表征的思路，一是指基本单元经过高通量合成、表征与筛查，经过基本单元试样模拟合成和基本单元高通量表征筛查；另一方面指基本单元组装过程及介观尺寸新材料高通量表征功能，针对不同新材料具备基本单元组装试验模拟功能，组装过程原位表征功能，再组装介观材料大尺度统计分布高通量表征功能。这种大规模的并行运算和模拟可以极大地提高新材料的研发效率。