0.背景

0.1 软件及版本
  PyCharm，Python3.10
  ovito3.0
  VMD1.9.3(WIN32)
0.2 文件夹
  按照下图建立3个文件夹，其中hyd文件夹中存放需要处理的文本文件，hyd-formation存放建模需要的代码，result文件夹存放建模输出的结果。

文件夹

 0.3 CO2水合物data文件文本
  可以从网上下载CO2水合物的data文件，一个晶胞由8个CO2分子和46个H2O分子构成,也就是8个笼子，其中6个是由12个5边形和2个6边形构成的大笼，省下2个是由12个5边形构成的小笼。可以使用ovito进行扩胞，根据需求获得2x2x2等各种大小(扩胞时应注意周期性边界的问题)。
  本文以3x3x3的模型为例进行介绍。
  下面提供两个data文件，分别为3x3x3的SI型CO2水合物文件和3x3x3的SI型CH4水合物文件，都是处理过边界周期性的，为了处理方便把边界分子都进行补全，不会因为左下方二氧化碳分子的O跑到右上角。

3x3x3的SI型CO2水合物文件
3x3x3的SI型CH4水合物文件

1.data文件处理

1.1 data文件的构成
  以下截取了CO2水合物文件的前32行进行说明。
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LAMMPS data file. CGCMM style. atom_style full generated by VMD/TopoTools v1.7 on Thu Mar 16 13:55:55 +0800 2023
 4374 atoms
 2916 bonds
 1458 angles
 0 dihedrals
 0 impropers
 6 atom types
 3 bond types
 3 angle types
 0 dihedral types
 0 improper types
 -12.590733 23.499267  xlo xhi
 -12.478819 23.611181  ylo yhi
 -12.399492 23.690508  zlo zhi

 Masses

 1 15.999000 # 1
 2 1.008000 # 2
 3 12.011000 # 3
 4 15.999000 # 4
 5 12.011000 # 5
 6 15.999000 # 6

 Atoms # full

1 1 1 0.000000 -9.821051 -9.821051 -9.821051 # 1 
2 1 2 0.000000 -10.665317 -9.424357 -10.035716 # 2 
3 1 2 0.000000 -10.045447 -10.661015 -9.420628 # 2 
4 1 1 0.000000 -12.030000 -8.335587 -10.608174 # 1 
5 1 2 0.000000 -12.028532 -7.540823 -10.074713 # 2 
6 1 2 0.000000 -12.027662 -8.018431 -11.511301 # 2
  第1行是生成文件的一些信息。
  第2-4行分别为原子数、键数、键角数。
  第5、6行为两种不同类型的二面角数目。
  第7-9行分别为原子类型数目、键类型数目、键角类型数目。
  第10-11行为两种不同类型的二面角类型数目。
  第12-14行为盒子大小的xyz起始坐标和截止坐标。
  第16-24行为不同类型原子对应的原子相对质量，第1列为原子的编号，第2列为相对原子质量，#后面是注释。这里原子类型数目要和上方第7行原子类型数目对应。
  第25行往后是原子的信息。其中原子数目要和第2行对应。第1列为编号，第2列为分组编号，比如我的data文件是3x3x3的，那么每个晶胞都有自己的组，从1-27。第3列为原子类型，对应上方Masses中的第一列原子类型编号。第5-7列为原子的三维坐标信息。#后面属于注释。
1.2 如何拆分
  我们需要构建不同CO2(以下称为客体分子)占有率或者含有缺陷(部分笼子中缺少水分子)的水合物模型。为了便于下一步的处理，我们根据原子类型进行分类。首先分为三类，①data文件中Atoms上方的内容为头文件(head.txt)；②水分子坐标文件(waterdata.txt)；③客体分子坐标文件(big-and-small.txt)。
  其中③中客体分子可以进一步细分为两类，④大笼中客体分子(big.txt)和⑤小笼中客体分子(small.txt)。
  把这5个文件保存在hyd文件夹中。

5个文件

 1.3 拆分出的5个文件
  可以使用Python处理，截取部分行写入新的文件中。水分子和客体分子的分离可以通过判定原子类型处理，其中1和2为水分子，3和4为大笼中的客体分子，5和6为小笼中的客体分子。
  也可以通过周期性来判断，3x3x3的SI型CO2水合物是通过一个晶胞扩胞生成的。一个晶胞包含46个水分子和8个客体分子，也就是54*3=162个原子，其中水分子为1-138，客体分子为139-162，其中小笼为142,143,144；157,158,159；剩下的为大笼。并且第二个晶胞中中编号只是依次增加162。
  以下提供3x3x3的SI型CO2水合物的5个拆分文件。

①head.txt 预览 下载
②waterdata.txt 预览 下载
③big-and-small.txt 预览 下载
④big.txt 预览 下载
⑤small.txt 预览 下载

2.模型atoms构建

2.1 需要的库
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import numpy as np
import random
 2.2 思路介绍
  我们知道data文件除去头部的信息(Atoms以下)是由一行行的原子信息构成，并且在本文data文件中构成一个分子的原子都是相邻的。因此如果我们删除指定的分子，就只需要找到对应的原子行数，删除这几行，然后修改头文件中的原子数目就可以了。并且这样的删除之后的文件不需要保证原子的编号是连续的。
  以大笼小笼中客体分子当做等价，地删除部分客体分子为例进行介绍。
  首先我们应该确定删除分子的数目和属于那个晶胞，在本文这个程序(small-equal-big.py)中我们可以选择x个晶胞(n_delete)，在x个晶胞中每个晶胞删除a个分子(n_together)，并且可以继续选择y个晶胞(n_delete2)(这y个晶胞与前面x个晶胞不重合，没有交集。x+y的和要小于等于27)，在y个晶胞中每个晶胞删除b个分子(n_together2)。
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n_delete = 0 #要删笼中客体分子的晶胞个数
n_together = 0 #一个晶胞删除的个数
n_delete2 = 0 #不规则删除的晶胞个数
n_together2 = 0 #不规则删除的一个晶胞内需扣除笼子数

num = 648 - 3 * n_together * n_delete - 3 * n_together2 * n_delete2

num = num + 3726 #小笼内气体原子数 + 大笼内气体原子数 + 水的原子数
   我们确定好删除客体分子的数目后，我们把27个晶胞当做一个27个数字数组c_out，如果这个晶胞不删除客体分子用1表示，属于n_delete的用0表示，属于n_delete2的用0.5表示。获得一个长度为27的数组c_out。使用random.shuffle(c_out)进行随机重排，实现随机效果。
  接下来我们用f_out记录每个原子是否要删除，其中1是保留，0是删除，因此f_out在本文中应当是27个晶胞，每个晶胞8个客体分子，每个客体分子3个原子，一共27x8x3=648长度的数组。定义一个中间变量a_arry记录每个晶胞中记录哪个分子要删除。使用一个27次循环来实现对每个晶胞中的8个分子处理。
  ①如果发现c_out中读取的数字是0.5，则在a_arry中写入n_together2个0和8-n_together2个1，a_arry是个长度为8的数组，对其进行shuffle操作，代表随机删除晶胞中的分子。读取a_arry，如果是1则，f_out写入3个1，如果0则f_out写入3个0，这代表晶胞中24个原子是否删除。
  ②如果发现c_out中读取的数字是0，则在a_arry中写入n_together个0和8-n_together个1，a_arry是个长度为8的数组，对其进行shuffle操作，代表随机删除晶胞中的分子。读取a_arry，如果是1则，f_out写入3个1，如果0则f_out写入3个0，这代表晶胞中24个原子是否删除。
  ③如果发现c_out中读取的数字是1，则f_out输入24个1，代表8个分子的24个原子都要写入。
  并且使用choose.txt记录哪个晶胞发生了客体分子的删除和哪个原子被删除了。
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check = 0 #判别笼子类型
a_arry = [] #同晶胞内排列
c_out = [] #笼子的排列
f_out = [] #输出用序列

i = 0
j = 0
k = 0

choose = open('..\\result\\choose.txt', 'w')
choose.write("哪些晶胞内的气体将会扣除\n（0为扣除，1为未扣除）\n")
"""写入哪个晶胞需要删除CO2"""
i = 0
flag = -1
if(n_delete2 != 0):
    flag = n_delete2
for i in range(27):
    if (flag > 0): #其中一个晶胞扣除不同个数
        c_out.append(0.5)
        flag -= 1
    elif (i < n_delete + n_delete2):
        c_out.append(0)
    else:
        c_out.append(1)
random.shuffle(c_out)
choose.write(str(c_out) + "\n")

"""哪个位置需要删除原子"""
for i in range(27):
    check = c_out[i]
    if (check == 0.5):
        for l in range(8):
            if(l<n_together2):
                a_arry.append(0)
            else:
                a_arry.append(1)
        random.shuffle(a_arry)
        print(a_arry)
        choose.write("第" + str(i+1) + "个晶胞：" + str(a_arry) + "\n")
        for j in range(8):
             if(a_arry[j] == 0):
                 f_out.append(0)
                 f_out.append(0)
                 f_out.append(0)

             else:
                f_out.append(1)
                f_out.append(1)
                f_out.append(1)

        a_arry=[]
    elif (check == 0) :
        for l in range(8):
            if(l<n_together):
                a_arry.append(0)
            else:
                a_arry.append(1)
        random.shuffle(a_arry)
        print(a_arry)
        choose.write("第" + str(i+1) + "个晶胞：" + str(a_arry) + "\n")
        for j in range(8):
             if(a_arry[j] == 0):
                 f_out.append(0)
                 f_out.append(0)
                 f_out.append(0)

             else:
                f_out.append(1)
                f_out.append(1)
                f_out.append(1)

        a_arry=[]
    else :
         for m in range(24):
             f_out.append(1)

   打开resultco2作为输出文本文件，首先写入头文件。再把客体分子中的原子写入，根据f_out的输出，1写入该行，0则跳过这一行，也就是不写入，实现了删除的目的。最后把水分子文件写入，本文中水分子没有删除，全部写入就行，删除水分子和删除客体分子同理。
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co2_read = open('..\\hyd\\big-and-small.txt', 'r')
line = co2_read.readlines()
resultco2 = open('..\\result\\result.data', 'w')
resultco2.write("# LAMMPS data file written by OVITO Basic 3.5.4\n" + str(num) + " atoms\n\n")
head = open('..\\hyd\\head.txt', 'r')
for hang in head:
    """将data的头文件写入"""
    resultco2.writelines(hang)
"""将co2分子坐标写入"""
i = 0
for i in range(648):
    if (f_out[i] == 1):
        resultco2.writelines(line[i])
#resultco2.write("\n")
"""将水分子坐标写入"""
water = open('..\\hyd\\waterdata.txt')
for line2 in water:
    resultco2.writelines(line2)

"""将每个气体是否存在写入choose"""
zong = []
flag = 1
sn = 0

for i in range(0,648,3):

    zong.append(f_out[sn])
    sn = sn + 3
    flag = flag + 1
    if(flag == 9):
        flag = 1
choose.write("\n")
choose.write(str(zong) + "\n")
   关闭打开的所有文件。在result的文件夹中可以看到两个文件生成，一个是choose.txt记录了哪些原子被删除，便于后续的处理。result.data记录了模型的初步信息。
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choose.close()
water.close()
co2_read.close()
head.close()
resultco2.close()
 2.3 完整代码
  把该代码放入hyd-formation文件夹下。
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import numpy as np
import random
n_delete = 0 #要删笼中客体分子的晶胞个数
n_together = 0 #一个晶胞删除的个数
n_delete2 = 0 #不规则删除的晶胞个数
n_together2 = 0 #不规则删除的一个晶胞内需扣除笼子数

num = 648 - 3 * n_together * n_delete - 3 * n_together2 * n_delete2

num = num + 3726 #小笼内气体原子数 + 大笼内气体原子数 + 水的原子数
check = 0 #判别笼子类型
a_arry = [] #同晶胞内排列
c_out = [] #笼子的排列
f_out = [] #输出用序列

i = 0
j = 0
k = 0

choose = open('..\\result\\choose.txt', 'w')
choose.write("哪些晶胞内的气体将会扣除\n（0为扣除，1为未扣除）\n")
"""写入哪个晶胞需要删除CO2"""
i = 0
flag = -1
if(n_delete2 != 0):
    flag = n_delete2
for i in range(27):
    if (flag > 0): #其中一个晶胞扣除不同个数
        c_out.append(0.5)
        flag -= 1
    elif (i < n_delete + n_delete2):
        c_out.append(0)
    else:
        c_out.append(1)
random.shuffle(c_out)
print(c_out)
choose.write(str(c_out) + "\n")
for i in range(27):
    check = c_out[i]
    if (check == 0.5):
        for l in range(8):
            if(l<n_together2):
                a_arry.append(0)
            else:
                a_arry.append(1)
        random.shuffle(a_arry)
        print(a_arry)
        choose.write("第" + str(i+1) + "个晶胞：" + str(a_arry) + "\n")
        for j in range(8):
             if(a_arry[j] == 0):
                 f_out.append(0)
                 f_out.append(0)
                 f_out.append(0)

             else:
                f_out.append(1)
                f_out.append(1)
                f_out.append(1)

        a_arry=[]
    elif (check == 0) :
        for l in range(8):
            if(l<n_together):
                a_arry.append(0)
            else:
                a_arry.append(1)
        random.shuffle(a_arry)
        print(a_arry)
        choose.write("第" + str(i+1) + "个晶胞：" + str(a_arry) + "\n")
        for j in range(8):
             if(a_arry[j] == 0):
                 f_out.append(0)
                 f_out.append(0)
                 f_out.append(0)

             else:
                f_out.append(1)
                f_out.append(1)
                f_out.append(1)

        a_arry=[]
    else :
         for m in range(24):
             f_out.append(1)

co2_read = open('..\\hyd\\big-and-small.txt', 'r')
line = co2_read.readlines()
resultco2 = open('..\\result\\result.data', 'w')
resultco2.write("# LAMMPS data file written by OVITO Basic 3.5.4\n" + str(num) + " atoms\n\n")
head = open('..\\hyd\\head.txt', 'r')
for hang in head:
    """将data的头文件写入"""
    resultco2.writelines(hang)
"""将co2分子坐标写入"""
i = 0
for i in range(648):
    if (f_out[i] == 1):
        resultco2.writelines(line[i])
#resultco2.write("\n")
"""将水分子坐标写入"""
water = open('..\\hyd\\waterdata.txt')
for line2 in water:
    resultco2.writelines(line2)

"""将每个气体是否存在写入choose"""
zong = []
flag = 1
sn = 0

for i in range(0,648,3):

    zong.append(f_out[sn])
    sn = sn + 3
    flag = flag + 1
    if(flag == 9):
        flag = 1
choose.write("\n")
choose.write(str(zong) + "\n")

choose.close()
water.close()
co2_read.close()
head.close()
resultco2.close()

大小笼等价代码small-equal-big.py 下载

 2.4 其他代码
  提供了另外两种删除客体分子的代码，分别为区分大小笼big-or-small.py(可以指定删除大笼或者小笼)和随机代码random.py(在27个晶胞中随机进行删除客体分子)。

区分大小笼big-or-small.py 下载

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import numpy as np
import random
n_smalldelete = 0 #要删小笼中客体分子的小笼晶胞个数
n_smalltogether = 0 #一个晶胞删除小笼的个数（1 or 2）
n_bigdelete = 0 #要删客体分子的的大笼晶胞个数（0 - 27）
n_bigtogether = 0 #一个晶胞删除大笼的个数（1 - 6）

numsmall = 162 - 3 * n_smalltogether * n_smalldelete
numbig = 486 - 3 * n_bigtogether * n_bigdelete
num = numbig + numsmall + 3726 #小笼内气体原子数 + 大笼内气体原子数 + 水的原子数
check = 0 #判别笼子类型
a_arry = [] #同晶胞内排列
c_big = [] #小笼子的排列
c_small = [] #大笼子的排列
f_bigout = [] #输出用序列
f_smallout = [] #输出用序列

i = 0
j = 0
k = 0

choose = open('..\\result\\choose.txt', 'w')
choose.write("哪些晶胞内的气体将会扣除\n（0为扣除，1为未扣除）\n")

"""将扣除co2后的小笼气体坐标写入"""
choose.write("\n\n以下为小笼扣除序列：\n")
i = 0
for i in range(27):
    if (i < n_smalldelete):
        c_small.append(0)
    else:
        c_small.append(1)
random.shuffle(c_small)
choose.write(str(c_small) + "\n")
for i in range(27):
    check = c_small[i]
    if (check == 0) :
        for l in range(2):
            if(l<n_smalltogether):
                a_arry.append(0)
            else:
                a_arry.append(1)
        random.shuffle(a_arry)
        choose.write("第" + str(i + 1) + "个晶胞：" + str(a_arry) + "\n")
        for j in range(2):
             if(a_arry[j] == 0):
                 f_smallout.append(0)
                 f_smallout.append(0)
                 f_smallout.append(0)

             else:
                f_smallout.append(1)
                f_smallout.append(1)
                f_smallout.append(1)

        a_arry=[]
    else :
         for m in range(6):
             f_smallout.append(1)

smallco2_read = open('..\\hyd\\small.txt', 'r')
line = smallco2_read.readlines()
resultco2 = open('..\\result\\result.data', 'w')
resultco2.write("# LAMMPS data file written by OVITO Basic 3.5.4\n" + str(num) + " atoms\n\n")
head = open('..\\hyd\\head.txt', 'r')
for hang in head:
    """将data的头文件写入"""
    resultco2.writelines(hang)
i = 0
for i in range(162):
    if (f_smallout[i] == 1):
        resultco2.writelines(line[i])

smallco2_read.close()
head.close()

"""将扣除co2后的大笼气体坐标写入"""
choose.write("\n\n以下为大笼扣除序列：\n")
i = 0
for i in range(27):
    if (i < n_bigdelete):
        c_big.append(0)
    else:
        c_big.append(1)
random.shuffle(c_big)
choose.write(str(c_big) + "\n")
i = 0
for i in range(27):
    check = c_big[i]
    if (check == 0) :
        for l in range(6):
            if(l<n_bigtogether):
                a_arry.append(0)
            else:
                a_arry.append(1)
        random.shuffle(a_arry)
        choose.write("第" + str(i + 1) + "个晶胞：" + str(a_arry) + "\n")
        for j in range(6):
            if(a_arry[j] == 0):
                f_bigout.append(0)
                f_bigout.append(0)
                f_bigout.append(0)

            else:
                f_bigout.append(1)
                f_bigout.append(1)
                f_bigout.append(1)

        a_arry = []
    else:
        for m in range(18):
            f_bigout.append(1)

bigco2_read = open('..\\hyd\\big.txt', 'r')
line = bigco2_read.readlines()

i = 0
for i in range(486):
    if (f_bigout[i] == 1):
        resultco2.writelines(line[i])

bigco2_read.close()
head.close()

"""将水分子坐标写入"""
water = open('..\\hyd\\waterdata.txt')
for line2 in water:
    resultco2.writelines(line2)


"""将每个气体是否存在写入"""
zong = []
flag = 1
sn = 0
bn = 0
for i in range(0,648,3):
    if(flag ==2 or flag == 7):
        zong.append(f_smallout[sn])
        sn = sn + 3
    else:
        zong.append(f_bigout[bn])
        bn = bn + 3
    flag = flag + 1
    if(flag == 9):
        flag = 1
choose.write("\n")
choose.write(str(zong) + "\n")

choose.close()
water.close()
resultco2.close()

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import numpy as np
import random
n_delete = 27 #要删客体分子的个数

num = 648 - 3 * n_delete

num = num + 3726 #小笼内气体原子数 + 大笼内气体原子数 + 水的原子数
check = 0 #判别笼子类型
a_arry = [] #同晶胞内排列
all = [] #整体晶胞的排列
c_out = [] #笼子的排列
f_out = [] #输出用序列

i = 0
j = 0
k = 0

choose = open('..\\result\\choose.txt', 'w')
choose.write("哪些晶胞内的气体将会扣除\n（0为扣除，1为未扣除）\n")
"""将扣除co2后的气体坐标写入"""
count = 0
i = 0
for i in range(216):
    if(i < n_delete):
        all.append(0)
    else:
        all.append(1)
random.shuffle(all)
"""寻找被扣除的晶胞是哪个"""
j = 0
for i in range(27):
    flag = 1
    for j in range(8):
        if(all[i * 8 + j] == 0 ):
            flag -= 1
    if(flag < 1):
        c_out.append(0)
    else:
        c_out.append(1)
print(c_out)
choose.write(str(c_out) + "\n")


for i in range(27):
    if(c_out[i] == 0):
        for j in range(8):
            a_arry.append(all[i * 8 + j])
            if (a_arry[j] == 0):
                f_out.append(0)
                f_out.append(0)
                f_out.append(0)

            else:
                f_out.append(1)
                f_out.append(1)
                f_out.append(1)
        print(a_arry)
        choose.write("第" + str(i+1) + "个晶胞：" + str(a_arry) + "\n")
        a_arry=[]
    else:
        for j in range(24):
            f_out.append(1)


co2_read = open('..\\hyd\\big-and-small.txt', 'r')
line = co2_read.readlines()
resultco2 = open('..\\result\\result.data', 'w')
resultco2.write("# LAMMPS data file written by OVITO Basic 3.5.4\n" + str(num) + " atoms\n\n")
head = open('..\\hyd\\head.txt', 'r')
for hang in head:
    """将data的头文件写入"""
    resultco2.writelines(hang)
i = 0
for i in range(648):
    if (f_out[i] == 1):
        resultco2.writelines(line[i])
#resultco2.write("\n")
"""将水分子坐标写入"""
water = open('..\\hyd\\waterdata.txt')
for line2 in water:
    resultco2.writelines(line2)

"""将每个气体是否存在写入"""
zong = []
flag = 1
sn = 0

for i in range(0,648,3):

    zong.append(f_out[sn])
    sn = sn + 3
    flag = flag + 1
    if(flag == 9):
        flag = 1
choose.write("\n")
choose.write(str(zong) + "\n")

choose.close()
water.close()
co2_read.close()
head.close()
resultco2.close()

3.模型bonds构建

  使用ovito打开result.data文件。
  ①在右侧Add modification中选择Visualization-Create bonds。

create-bonds1

   ②选择1-2(也就是O和H)，在右侧输入1.5，建立H和O之间的化学键。

create-bonds2

   重复上述两步操作，建立大笼中C-O键和小笼中C-O键。一定要重复两步，不能直接在第二步基础上修改。直接在第二步修改，会导致只有一种键类型。
  完成后在左上方点击File-Export Data，选择保存类型LAMMPS Data File，选定位置进行保存，保存为bonds.data。

4.模型angles构建

  打开VMD，并依次输入以下四条命令。
1
2
3
4
cd C:/Users/Admin/Desktop/111
topo readlammpsdata bonds.data full
topo guessangles
topo writelammpsdata angles.data full
   第1行为打开存储bonds.data的路径，把cd后改为文件路径。
  第2行读取bonds.data文件。
  第3行根据文件建立键角，VMD会自行猜测。
  第4行是把含键角信息的文件输出，输出到当前文件夹中，名字为angles.data。

  至此，整个模型构建就完成了。删除方式和删除的分子类型都可以自行修改，思路都是类似的。