Materials Studio建模教程-13：建立介观结构体块模型
将原子粗粒化为珠子
目的：演示粗粒化工具的使用方法。
所用模块：Materials Visualizer
介绍：
构建分子的粗粒度或珠子表示，需要建立原子到珠子表示的映射。用户可以利用对所研究体系的了解，使用介观分子构建工具构建所要研究的体系模型。或者，可以直接从原子表示生成珠子模型。
在本教程中，将使用粗粒化工具生成原子模型的珠子表示。将使用简单的重复单元根据其单体构建粗粒聚合物，并使用阵列生成结构的珠子模型，而不包含子单元信息。
本教程包括如下内容：
开始
使用重复单元对聚合物进行粗粒化
使用阵列对纳米管进行粗粒化
粗粒化聚合物和药物的混合体系
1、开始
启动Materials Studio并建立一个名为CoarseGrain的新工程。如想获得关于创建新工程的指导，可参见Project management教程。
如果Materials Studio还没有打开，双击桌面上的Materials Studio图标，或者从Windows开始菜单的程序列表中选择BIOVIA | Materials Studio，以启动程序。
打开New Project对话框，输入CoarseGrain作为工程名，单击OK按钮。
新工程将以CoarseGrain为工程名列于Project Explorer中。
注意：为了和本教程中的参数保持一致，可以使用Settings Organizer对话框将工程中所有参数都设置为BIOVIA的默认值。有关恢复默认参数设置的步骤，可参见创建工程教程（Creating a project tutorial）。
2、使用重复单元对聚合物进行粗粒化
如果一个分子具有子单元信息，例如PDB文件中包含的重复单元或蛋白质数据，则可以自动将每种子单元类型转换为珠子类型。当从原子表示转换为珠子表示时，有两个步骤-在分子中找到不同的珠子，然后生成珠子模型。将在第一部分中执行这两个步骤，尽管它们也可以在单个步骤中执行。
使用聚合物构建工具构建5个乙烯ethylene单体和5个氧乙烯oxyethylene单体的嵌段共聚物block copolymer。
这种结构有两种主要单体，乙烯和氧乙烯，形成两种不同的珠子类型。然而，为了保持原子结构，粗粒化工具对氢的存在很敏感，因此末端的单体单元与非末端的单体单元的类型不同。
从菜单栏中选择Build | Build Mesostructure | Coarse Grain，或单击Mesostructure工具栏上的Coarse Grain按钮
对于任意结构，可以使用上述方法的一种或多种组合。
在第一个示例中，将使用重复单元数据进行粗粒化处理，以便每个重复单元都是一个珠子。由于子单元是此对话框的默认设置，因此无需进行任何更改。
默认情况下，识别珠子类型和创建介观尺度结构是一步完成的，但这不允许精确控制珠子名称。可以禁用数据表的自动创建或更新。
取消选中Automatically update typing document复选框。
下一步是确定分子中独特的子单元。这些将存储在数据表中，以便可以在粗粒化之前查看和编辑它们的名称。
在Bead typing区域中，单击Create按钮。
创建了一个名为Bead Typing.std的数据表。在A列带有原子结构类型，在B列中为珠子类型名称。珠子类型名称是执行粗粒化计算时为相同珠子指定的名称。
在Structure列中，双击乙烯ethylene。
将打开详细视图，这是末端重复单元。可以更改此结构的名称，以便在生成珠子时具有更具描述性的名称。
在Bead Type Name列中，将乙烯ethylene文本更改为ethylene_terminator。关闭乙烯的详细视图。双击以打开ethylene (2)的详细视图。
第二种类型的乙烯重复单元是链中重复单元，应该更改此结构的名称。
在Bead Type Name列中，将ethylene (2)文本更改为ethylene。关闭此结构的详细视图。
应该对氧乙烯装置重复此操作，以便在创建珠子时使用更具描述性的名称。
打开氧乙烯结构的详细视图。更改名称，为oxyethylene和oxyethylene_terminator。
修改珠子类型名称后的珠子类型数据表
现在，已经为结构类型指定了描述性名称，可以生成聚合物的珠状表示。
使得Blockethyleneoxyethylene.xsd为当前文档并单击Coarse Grain对话框上的Build按钮。
将创建一个新文件，Blockethyleneoxyethylene CG.xsd。这包含聚合物的珠状表示，末端单体单元与主链中的单体单元颜色不同。
Blockethyleneoxyethylene_CG.xsd文件的球棍模型表示
生成珠子模型时，具有指定名称的新珠子类型将自动添加到工程中。
从菜单栏中选择Build | Build Mesostructure | Bead Types，或单击Mesostructure工具栏上的Bead Types按钮。在Bead Types对话框中，选择ethylene_terminator行，并检查每列中显示的特性。
珠子类型的质量Mass特性由结构中的元素之和定义。半径Radius定义为最佳拟合结构中原子的球体半径。
在Bead Types对话框中，标识氧乙烯oxyethylene行并检查每列中显示的特性。
提示：可以使用Defaults...按钮更改Bead Type Defaults对话框中珠子的默认颜色。
关闭Bead Types对话框。
这个简短的示例演示了如何粗粒化具有重复单元的体系。如果没有重复单元数据，则可以指定运动单元。但是，如果有重复阵列，则可以使用Patterns方法自动粗粒化重复体系。
从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。
3、使用阵列对纳米管进行粗粒化
碳纳米管由多个苯环组成。可以使用苯环作为子单位来粗粒化，或者可以使用一个更大的重复单元。在本例中，将使用由苯环和六个连接苯环组成的阵列对纳米管进行粗粒化处理。最近，Liba等人使用该级别的粗粒化，模拟纳米管相互作用。第一步是构建碳纳米管。
选择Build | Build Nanostructure | Single-Wall Nanotube，打开Build Single-Wall Nanotube对话框。
将构建一个类似于Liba等人使用的纳米管。
取消选中Periodic nanotube复选框。将Repeat Units设置为41。单击Build按钮并关闭对话框。
这就创建了一个包含长度约为100 Å的纳米管的.xsd文件。
接下来，创建阵列文档。
创建一个新的3D原子文档，将其重命名为C24_rings.xsd。单击Sketch工具栏中的Sketch Ring按钮。按住ALT键，并在3D Viewer中单击。
一个没有氢原子的苯环在3D原子结构文档中绘制出来。下一步是在中心环周围再添加6个苯环，直到结构看起来像下图中的结构。
为纳米管粗粒化定义的阵列，以球棍模型显示
按住ALT键，单击顶部的C-C键以添加相连的苯环。对中心环中的其他C-C键按顺时针顺序重复4次。对于最后一个环，选择相邻环中的一个C-C键来完成阵列（在中间环的边上单击是不行的）。
在某些情况下，可能有多个用于粗粒化的阵列。为了应用多个阵列，应将它们存储在数据表中。
提示：可以使用数据表来建立阵列库。
创建新的数据表文档并将其重命名为patterns.std。在Project Explorer中，右键单击C24_rings.xsd并从快捷菜单中选择Insert Into。
在阵列数据表中，将创建一个名为Structures的新列，第1行中的结构为C24_rings。现在可以使用此阵列对纳米管进行粗粒化处理。
打开Coarse Grain对话框。在Method部分，选中Patterns复选框并从下拉列表中选择patterns.std。取消选中Subunits复选框。
可以预览原子结构和珠子结构之间的匹配。
将SWNT.xsd更改为当前文档。旋转纳米管，以便可以看到整个结构。在Coarse Grain对话框中，单击Preview按钮。
将观测到在大多数原子上定义了运动单元。然而，使用C24_rings阵列无法匹配整个纳米管。将显示一条警告，报告某些原子无法与珠子匹配。粗粒化工具可以选择不匹配的原子。在这种情况下，没有匹配所有原子的阵列，因此应该删除无法匹配的原子。
在警告对话框中，单击OK按钮。单击SWNT.xsd的标题栏并按DELETE键。
多余的原子将从纳米管中删除，并为与阵列匹配的每组原子定义了运动单元。在上一个示例中，明确创建了包含类型文档的数据表，以便可以编辑珠子的名称。在这种情况下，已经设置了阵列的名称，因此无需在类型文档中定义珠子类型名称。数据表可以自动更新。
在Coarse Grain对话框中，选中“自动更新类型文档Automatically update typing document”复选框，然后单击Build按钮。
包含原子分组和珠子类型名称的数据表将自动更新，创建的新结构SWNT CG.xsd包含粗粒化的单壁纳米管。
从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。
4、粗粒化聚合物和药物的混合体系
粗粒化不限于阵列或子单元，也可以在适当的情况下使用两种方法的组合。为了演示这一点，将粗颗粒化包含药物和聚合物的混合体系。将定义一个阵列来粗粒化药物肉桂酰胺，并使用聚合物的重复单元来粗粒化聚合物。已有含有肉桂酰胺和聚氧乙烯的三维周期结构。
导入Examples\Documents\3D
Model\polyoxyethylene_cinnamide.xsd。
该结构由3个肉桂酰胺分子和10个聚氧乙烯分子组成。第一步是创建一个肉桂酰胺模板。
创建一个新的3D原子文档并将其重命名为cinnamide.xsd。打开polyoxyethylene_cinnamide.xsd文档，并定位晶胞中的一个肉桂酰胺分子。复制这个分子并粘贴到cinnamide.xsd中。
可以使用整个分子作为一个新的阵列，在粗粒化时，将用单个珠子代替每个分子。在本例中，将使用更细粒度的表示，其中每个分子由一个具有5个珠子的介观尺度分子替换，每个珠子包含约2个非氢原子。
可以使用阵列文档中的运动单元指定所需的原子分组。粗粒化时，该分组将被带入结构中的每个匹配项。这样，每个分子都以相同的方式进行粗粒化处理，而无需将类型文档中的运动单元分别分配给所有分子。
在cinnamide.xsd文档，为酰胺基中的原子、侧链中的乙烯基和环中的3组原子创建运动单元，以将它们定义为对应于珠子的原子组。
肉桂酸盐粗粒化的建议运动单元定义
和纳米管一样，需要将此结构文档插入到数据表中，以便将其用作阵列。
使得patterns.std为当前文档。在Project Explorer中，右键单击cinnamide.xsd并从快捷菜单中选择Insert Into。
现在，已经准备好执行粗粒化。对于本例，将生成类型文档，然后分两步执行构建。
使得polyoxyethylene_cinnamide.xsd为当前文档。在Coarse Grain对话框中，勾选Subunits和Patterns。单击Update按钮。
珠子类型数据表用模板中的独特组和结构中的子单元进行更新。之前的氧乙烯类型结构保持不变，但添加了4种新的珠子类型。
珠子类型结构CH2NO、C2H2、C2H对应于模板中的基团。侧链中的C2H2和环中的组对应于相同的珠子类型，因为它们具有相同的拓扑结构。
剩余的新珠子类型结构对应于末端为羟基的氧乙烯基。可以将名称更改为更具描述性的名称。
在Bead Typing.std中，将OXYE_2的珠子类型名称Bead Type Name更改为oxyethylene_terminator_2。
现在可以粗粒化周期结构。
使得polyoxyethylene_cinnamide.xsd为当前文档。然后单击Build按钮。
将打开一个名为polyoxyethylene_cinnamide CG.xsd的新文档。包含聚合物的粗粒化表示和利用阵列结构自动粗粒化的肉桂酸酯。
本教程到此结束。
参考文献：
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