背景：Materials Studio 中的 Forcite 是一款经典的分子力学工具，由 BIOVIA 科学家和软件工程师设计，用于执行一系列任务，包括单分子和周期系统的快速能量计算和几何优化。在晶体结构的几何优化中，Forcite 保留了系统的对称性，这在与结构确定相关的工作中尤为重要。

简介：在确定晶体结构时，重要的是要发现两个对称元素都是正确的，同时结构处于能量最小值。这意味着如果在没有对称约束的情况下进行进一步的几何优化，优化后的结构不会发生太大变化。本教程旨在演示在执行晶体结构的几何优化时如何使用对称性。在本教程中，您将使用尿素的晶体结构，尿素是一种广泛使用的化学和医药中间体。

目的：说明使用 Forcite 优化结构时的对称效果。

(资料图片仅供参考)

本教程重要节点：

开始-对具有对称性的结构和单元进行几何优化-消除对称性并进行进一步的几何优化-比较两次运行的结果

1.开始

首先启动Materials Studio并创建一个新工程。

打开New Project对话框，输入urea作为工程名，单击OK按钮。

新工程将以urea为工程名显示于Project Explorer中。导入体系的晶体结构来研究尿素。

单击Import按钮打开Import Document对话框。导航至Structures/molecular-crystals/misc文件夹，双击urea.xsd文件。

尿素的晶体结构即显示于一个名为urea.xsd的3D原子文档中。验证结构的对称性。

单击Symmetry工具条上的Show Symmetry按钮

或菜单栏中的Build | Symmetry | Show Symmetry。

对称对话框

它表明空间群是P-421M。

2.对具有对称性的结构和单元进行几何优化

下一步是利用COMPASS力场对尿素进行几何优化。

单击Modules工具栏上的Forcite按钮，从下拉列表中选择Calculation，或者从菜单栏中选择Modules | Forcite | Calculation。

这将打开Forcite计算对话框。

计算对话框，设置选项卡

将Task由能量转向Geometry Optimization，质量Quality to Fine。

点击More…按钮显示Forcite几何优化对话框。选中Optimize cell复选框并关闭对话框。

在Energy选项卡上，从Forcefield下拉列表中选择COMPASS。保持所有其他设置不变。

单击Run按钮并关闭对话框。

在Project Explorer中会打开一个名为尿素Forcite GeomOpt的新文件夹。由于库结构已经接近最优，因此计算完成的时间不超过1分钟，即达到规定的收敛准则。当完成时urea.xsd新文件夹顶部的XSD文档包含优化后的结构。

尿素Forcite GeomOpt文件夹中还有其他六个文件。txt文档包含作业的所有文本信息，特别是初始结构和最终结构的结构和能量参数值。txt文档包含最后一个作业执行状态。尿素能量图显示了优化过程中总能量的变化情况。尿素收敛图显示了收敛准则的变化，即能量变化，梯度范数和应力范数作为优化步骤的函数。一旦满足所有要求的标准，模拟就会停止。尿素晶胞图显示了晶胞参数的变化，尿素密度图显示了系统密度的变化。

打开图表文档urea Energies.xcd。

它看起来应该与下图相似。

现在应该确保对称性没有改变。

使urea Forcite GeomOpt/urea.xsd激活文档并打开Symmetry对话框。

space group还是P-421M。在完成本节教程之前，您应该保存项目并整理工作空间。

在菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All.。

3.消除对称性并进行进一步的几何优化

现在在没有对称约束的情况下重复同样的过程。首先导入尿素结构的另一个副本。

打开Import Document，导航到Structures/molecular-crystals/misc/并导入urea.msi。

显示第二个包含尿素结构的3D原子文档，称为 urea (2).xsd。现在把晶体结构的对称性去掉。

从菜单栏中选择Build | Symmetry | Make P1。

确认对称现在是P1。

在Symmetry对话框中检查Space组为P1。关闭对话框。

为了反映对称性的变化，您应该重命名urea (2).xsd.。

右键单击Project Explorer中的urea (2).xsd，并从快捷菜单中选择Rename。将名称更改为urea_P1。

下一步是在urea_P1上执行几何优化，使用与前面相同的设置。

打开Forcite Calculation对话框。

所有前面的参数都被保留，并且您希望以与以前完全相同的方式运行计算，因此不需要对设置进行任何更改。

单击Run按钮并关闭对话框。

在Project Explorer中打开一个名为urea_P1 Forcite GeomOpt的新文件夹。同样，计算很快就完成了。完成后，保存项目并再次关闭所有打开的窗口。

在菜单栏上选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。

4.比较两次运行的结果

最后一步是比较两种计算的结果。

找到并打开文本输出文档urea.txt和urea_P1.txt并打开它们。向下滚动到最终的Total energy。

在-365.83千卡/摩尔时，其值几乎相同。现在比较这两个单元优化。

找到并打开图表文件urea Cell.xcd 和 urea_P1 Cell.xcd。

p – 421M尿素晶胞

P1尿素晶胞

在完全对称尿素的情况下，晶胞长度略有减少，角度保持在90°不变，符合对称约束。在P1结构的情况下，没有对称约束，单元角在模拟过程中变化。虽然精确的变化对计算精度非常敏感，但角度最终再次收敛到90°。总的来说，两种情况下晶胞的角度是非常相似的。

找到并打开urea Density.xcd 和 urea_P1 Density.xcd.。

P-421M 尿素密度

P1 尿素密度

在这两种情况下，尿素晶胞的密度由于优化的结果略有增加。同样，确切的变化取决于计算的细节，但最终值将略低于1.40 g/cm3。

您可以得出结论，在每种情况下，几何优化的过程是非常不同的，但两个计算最终收敛到非常相似的值。

您已经了解到在Forcite几何优化过程中保持了对称元素，并且这些元素的存在或不存在强烈影响计算过程。一旦一个结构接近它的最小能量构象，它可能再有或没有对称约束的情况下收敛到非常相似的晶胞参数和能量。