Material Studio建蒙脱石模型mmt

本文所建蒙脱石模型，具体置换原则，建模过程见已发表论文：Wei, P., Zheng Y. et al. Effect of water content and structural anisotropy on tensile mechanical properties of montmorillonite using molecular dynamics. Appl. Clay Sci.2022: 106622. http://doi.org/10.1016/j.clay.2022.106622.

 

一、流程：

1.导入cif文件：先在美国矿物晶体数据库（网站链接 http://rruff.geo.arizona.edu/AMS/amcsd.php）中，用 Mineral 或者 Chemistry search 等方式来搜索蒙脱石（montmorillonite），下载cif文件，再导入MS中。

2.分配力场：定义好每个原子力场类型（见下图）：Edit Sets（分组）

注意：每个原子的力场类型根据力场来定义，这里我们用clayff力场（Cygan, R. T., Liang, J. and Kalinichev, A. G. Molecular Models of Hydroxide, Oxyhydroxide, and Clay Phases and the Development of a General Force Field. J. Phys. Chem. B.2004; 4: 1255-1266. http://doi.org/10.1021/jp0363287.）。

原子的力场类型对应下图中的symbol。如：水中的氧原子的力场类型，应定义为o*，以此类推。

 

 

 

3.添加氢键：加H（一般是仅与Al-O八面体中的Al相连、不与Si相连的的O原子，）、给H分组

接着，“make P1”、校核化学式（正确与否）

4.扩胞：扩成超晶胞（Na-mmt：4*1*1，Ca-mmt：4*2*1，illite：2*1*1，由化学式而定），目的是--将有小数的分子式变成为正整数的化学式，利于进行原子置换/取代。

 

5.晶格置换：

mmt：模型中每 32 个 Si 4+有 1 个被 Al 3+ 取代，每 8 个 Al 3+ 有 1 个被 Mg 2+ 取代，因此晶格取代产生的层电荷为-0.75e/元胞，由层间

Na + 离 子 平 衡 。 建 立 的 蒙 脱 石 的 分 子 式 为 ：Na 0.75 (Si 7.75 Al 0.25 )(Al 3.5 Mg 0.5 )O 20 (OH) 4 。

4a*b*c：Na 3 (Si 31 Al  )(Al 14 Mg 2 )O 80 (OH) 16；所以，要用1个Al（at）去取代1个Si（st），注意，这里是四面体中的Al（at），不是八面体中的Al（ao）；

以及2个Mg（mgo）去取代八面体中的2个Al（ao）。

Mg置换Al-O八面体的Al,与Mg相连的ob——obos（4个），oh——ohs（2个）；

Al置换Si-O四面体的Si，与Al相连的ob——obts（4个）。

层间阳离子：直接改，随机充填在层间域中（包括水分子）

6.调整c值（可以在左下角设置，先选盒子）、扩胞：根据含水量的大小来调整。

含水蒙脱石的含水量（wt%）等于水分子的相对原子质量除以蒙脱石的相对原子质量。

对于已经扩胞为411的蒙脱石来说，他的分子式为：4a*b*c：Na 3 (Si 31 Al  )(Al 14 Mg 2 )O 80 (OH) 16，故相对原子质量之和为2942.6；（相对原子质量可见链接：https://baike.so.com/doc/5410798-5648893.html）

而对于1个水分子来说，它的相对原子质量为18，因此对应的含水量如下：

水层数量——层间距厚度——真实含水量——近似含水量

0——0.96nm（0个水分子）——含水量0%；

1——1.20（16个水分子）——9.787%——近似10%；

2——1.50（32个水分子）——19.575%——近似20%；

3——1.70（48个水分子）——29.361%——近似30%；

注： 如何扩大z方向的盒子：Build——Crystals——Rebuild Crystal——Lattice parameters

 

接着，因为我们用的是clayff力场，只考虑二体势，因此，只需要保留O-H键（羟基、水分子），其他键都要删除，如下图。

 

 

 

 

7.导出.car和.cor文件

选择保存路径，选择保存类型为 “.car, .cor”，可以设置文件名为：mmt；同时保存为两个文件，mmt.car和mmt.mdf。

 

8.获取data文件

 

(进入工作目录mmt

cd mmt/

msi2lmp.exe mmt -class I -frc clayff -i -ignore > out.log

生成后mmt文件夹会有data生成，可检查一下data力场对不对，不对的话检查一下frc_files里面的clayff.frc参数准不准。)

 

9.开始计算：
打开putty，输入：

source /opt/software/impi/mpivars.sh  （注意：只有source后边是有空格，其他的没有空格）

mpirun -np 4 lmp_mpi < in.elastic > elastic.out &  （计算文件名，如：mmt422.in）  

(4代表4核，也可以选择8,10等)

 ssh node02 回车（进入新服务器）