Materials Studio聚合物建模工具使用指南

简介：Materials Visualizer内置的聚合物建模工具支持快速构建均聚物、嵌段共聚物、无规共聚物及树枝状大分子。工具集成常见单体数据库，支持自定义重复单元，并可调控立构规整度等关键参数，满足多样化聚合物结构设计需求。

目的：指导用户使用Materials Studio完成多种类型聚合物的构建，涵盖均聚物、嵌段共聚物、无规共聚物和树枝状大分子的建模流程。

本教程主要内容：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

可通过自定义或数据库中的重复单元构建聚合物。以苯乙烯为例，演示自定义重复单元的建模过程。

a) 创建重复单元

绘制苯乙烯分子作为PPV的单体结构。

苯乙烯的结构

b) 定义头尾原子

进入Build > Build Polymers > Repeat Unit，设置头原子（蓝色环标记）和尾原子（红色环标记），确保聚合方向正确。

重复单元对话框

头尾原子标识

在Properties Explorer中命名重复单元，便于多项目管理。

苯乙烯重复单元

c) 生成聚合物

选择Build > Build Polymers > Homopolymer，打开均聚物构建对话框。

均聚物对话框，聚合选项卡

在Library中选择Current Project，从Repeat Unit下拉菜单中选取已定义的苯乙烯单元。设定链长为20，点击Build完成构建。

2. 构建嵌段共聚物

选择Build > Build Polymers > Block Copolymer，进入嵌段共聚物构建界面。

嵌段共聚物对话框，聚合选项卡

对话框包含Polymerize（嵌段定义）、Advanced（起止信息）和Branches（支链设置）三个区域。

a) 指定重复单元与嵌段长度

以PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物为例，依次添加聚乙烯氧化物（5个单元）、聚丙烯氧化物（10个单元）和聚乙烯氧化物（5个单元）。

双击Repeat Unit区域输入参数。Flip probability设为0，确保头-尾连接。

嵌段共聚物参数设置

b) 生成并操作聚合物

点击Build生成结构。

嵌段共聚物结构

若需多个重复单元，可在Number of superunit中设置数量。若需独立链，通过Number of chains设定，并使用Shift+Alt+右键分离链结构。

3. 构建无规共聚物

构建丁二烯与丙烯腈的无规共聚物，支持两种比例：50:50（默认）与20:80（丙烯腈:丁二烯）。

选择Build > Build Polymers > Random Copolymer，界面与嵌段共聚物类似。

无规共聚物对话框，聚合选项卡

添加acrylonitrile和cis-butadiene单体，设定链长为20。

支持两种构建方式：Probabilities（概率法）和Reactivity Ratios（反应活性比法）。

a) 使用概率法构建

在Probabilities选项卡中设置转移概率矩阵。50:50比例下，每行概率均为0.5。

无规共聚物对话框，概率选项卡

对于20:80比例，调整丙烯腈连接概率为0.2，丁二烯为0.8。

概率设置示意图

点击Build生成目标结构。

b) 强制浓度控制

为确保有限链长下精确比例，启用Force Concentrations选项。该功能可锁定单体组成比例，适用于需要严格组分控制的模拟场景。

4. 构建树枝状大分子

树枝状大分子以核心种子为基础逐层生长。通过Dendrimer工具可实现多层结构构建。

a) 构建分叉枝状聚合物

选择Build > Polymers > Dendrimer，打开构建对话框。

树枝状大分子对话框，“构造”选项卡

设定Seed为核心分子（如ammonia），Repeat Unit为分支单元（如35dihydroxy_benzyl_alcohol），Generation设为1，点击Build生成第一代结构。

初始树枝状大分子结构

后续可通过Add generations to constructed dendrimer选项继续添加层级。

b) 结构着色与可视化

使用Edit > Atom Selection选择不同代数的原子，在Display Style中设置颜色，增强结构可读性。

着色后的树枝状大分子

本教程结束。