Materials Studio软件

一、Materials Studio软件的主要应用领域包括： ? 金属材料研究 ? 无机非金属材料研 ? 纳米材料研究

? 高分子及其复合材料研究 ? 表界面研究 ? 化学反应研究 ? 含能材料研究 ? 生物、医药研究

? 在晶体结构、形貌研究中的应用 ? QSAR 的应用 ? Perl 语言的应用

Accelrys(美国)公司是世界领先的计算科学公司，是一系列用于科学数据的挖掘、整合、分析、模建与模拟、管理和提交交互式报告的智能软件的开发者，是目前全球范围内唯一能够提供分子模拟、材料设计、化学信息学和生物信息学全面解决方案和相关服务的软件供应商，所提供的全面解决方案和科技服务满足了当今全球领先的研究和开发机构的要求。

Materials Studio多尺度分子模拟平台是Accelrys公司（美国）在材料设计领域的核心产品。它融合多种模拟方法，整合多达23 个功能模块，实现从电子结构解析到宏观性能预测的全尺度科学研究。在国内拥有近400家用户，分布在石油、化工、环境、能源、制药、电子、食品、航空航天和汽车等工业领域和教育科研部门；相关的研究工作在Nature、Science等各类权威期刊上发表论文过万篇。

Materials Studio分子模拟软件采用了先进的模拟计算思想和方法，如量子力学（QM）、线性标度量子力学(Linear Scaling QM)、分子力学(MM)、分子动力学(MD)、蒙特卡洛(MC)、介观动力学(MesoDyn)和耗散粒子动力学（DPD）、统计方法QSAR(Quantitative Structure - Activity Relationship )等多种先进算法和X射线衍射分析等仪器分析方法；同时产品提供了界面友好的的模拟环境，研究者能方便地建立三维结构模型，并对各种小分子、纳米团簇、晶体、非晶体以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究，得到切实可靠的数据。

Materials Studio分子模拟软件支持Windows和Linux操作平台，用户可以自由定制、购买自己的模拟方法和模块，以满足特定领域研究需求。 Materials Studio软件使任何研究者都能得到和世界一流研究部门相一致的材料模拟技术。

二、Materials Studio软件与Pipeline Pilot流程处理平台的整合

三、Materials Studio软件的系统要求

模块介绍

? Materials Studio的 基本环境 Materials Visualizer

Materials Studio 中的量子力学模块： ? CASTEP( 平面波赝势方法)；

? DMol3( 原子轨道线性组合方法)；

? QMERA( 量子力学/ 分子力学杂化方法)； ? ONETEP( 线性标度方法)

Materials Studio 中的半经验量子力学模块： ? DFTB+( 紧束缚近似方法)； ? VAMP( 原子轨道线性组合方法)

Materials Studio中的经典模拟方法模块可分为三类： 一、Materials Studio 中的分子力学、动力学模块： COMPASS II( 高精度力场)；

Forcite Plus( 包含各种通用力场)；

GULP( 包含各种针对无机体系的专用力场)

二、Materials Studio 中涉及蒙特卡洛方法的模块： Amorphous Cell( 无定形模型搭建)；

Adsorption Locator( 吸附位、吸附构象)； Blends( 混合体系相容性)； Conformers( 聚合物构象)；

Sorption( 吸附位、吸附等温线)；

三、Materials Studio中的定量结构-性能关系模块： Synthia

Materials Studio 中的介观模拟模块：

Mesocite( 耗散粒子动力学、粗粒化分子动力学)； MesoDyn( 平均场密度泛函方法) 有限元模拟： MesoProp

Materials Studio 中的晶体、结晶与仪器分析方法可分为两类： 一、Materials Studio 中的晶体结构解析模块：

Polymorph Predictor( 基于力场找到分子的稳定堆积)； X 射线、中子、电子衍射图谱解析工具包

二、Materials Studio 中的晶粒形貌预测模块： Morphology( 包含多种通用力场，预测晶粒形貌) Materials Studio中的定量构效关系模块：

QSAR(Quantitative Structure Activity Relationship，定量构效关系) Materials Studio中的Perl 脚本

各模块细节介绍：

? Materials Visualizer：

Materials visualizer 是Materials Studio 的图形化界面，也是整个平台的核心，可用于：

? 搭建、调整各类三维可视的结构模型，包括晶体、小分子、聚合物、 纳米材料、团簇、表界面、各种缺陷结构以及电极模型7.0；

? 提供模块参数设置、结果分析的视窗界面；提供结构文件、参数文件以及结果文件的管理界面；提供计算进程的监控界面； ? 对模拟结果进行各种分析，可与结构模型相结合进行数据的二维、 三维显示，可以给出数据的图表，可以对特定的结果进行动画演 示或给出矢量图；

同时Visualizer支持多种结构、图形、文本文件格式的输入和输出； 支持不同功能模块间结构数据的共享；提供Perl 语言环境，以及脚本编写； Materials Studio 中的量子力学模块： CASTEP

CASTEP 是由剑桥凝聚态理论研究组开发的一款基于密度泛函理论的先进量子力学程序。程序采用平面波函数描述价电子，利用赝势替代内层电子，因此也被称为平面波赝势方法。适于解决固体物理，材料科学、化学以及化工等领域中的各类问题。目前，CASTEP 已经在材料研究的诸多领域获得了广泛而成功的应用，每年都有数百篇文章在各类顶级学术刊物上发表。所涉及的研究对象包括半导体、陶瓷、金属、分子筛等各类晶体材料，以及掺杂、位错、界面、表面等各种缺陷结构。 DMol3

DMol3 是由Bernard Delley 教授发布的一款基于密度泛函理论的先进量子力学程序，它采用原子轨道线性组合的方法描述体系的电子状态，因此也被称为原子轨道线性组合方法。DMol3 有别于其它方法的最重要特点是采用数值函数描述原子轨道，这一做法兼顾了计算精度和效率， 使得DMol3 成为一款高效实用的量子力学程序。除了预测材料的电子学、光学、热力学性能外，它还能够细致地研究气相、溶液、表面及其它固态环境中的化学反应适合解决化学、化工、生物、材料、物理等领域中的各类问题，尤其是化学反应机理及催化剂设计的问题。每年都有数百篇应用DMol3 的文章在各类顶级学术刊物上发表。研究对象涉及晶体材料、有机分子、团簇、纳米和多孔材料、生物分子等各种周期性及非周期性体系。 QMERA

QMERA 是一款将量子力学方法的精确性与经典模拟方法的高效性有机结合的程序，也被称为量子力学(Quantum Mechanics) 与分子力学(Molecular Mechanics) 的杂化方法。在利用QMERA 进行模拟计算的过程中，需要在所研究体系中划分出量子力学和分子力学区域( 其中量子力学区域往往是研究中的核心和兴趣所在，譬如非均相催化中的活性位点区域)，然后分别调用量子力学方法中的 DMol3 模块和经典模拟方法中的GULP 模块进行处理。QMERA 提供了多种方式解决两个区域间的耦合问题。它可研究包含上千个原子的体系，在充分考虑周围原子影响的条件下，得到其核心部分的电子结构、可能的化学反应机理、紫外可见光谱、红外光谱等信息。这一方法在非均相催化、表界面吸附、聚合物间的相互作用、生物分子活性的研究中相比于传统量化方法更具优势。 ONETEP( 线性标度方法)

ONETEP 是由剑桥凝聚态理论研究组开发的一款专门针对大体系(>500 原子) 研究的量子力学程序。其关键技术是采用非正交的广义万尼尔(Wannier) 函数替代平面波函数进行计算，并采用FFT box 技术和处理电荷密度的Density kernel 稀疏矩阵方法，使模拟计算的时间与体系的大小成线性关系。因此， ONETEP 也被称为线性标度的量子力学方法。其应用范围主要包括表面化学、大分子体系( 蛋白质、DNA、抗体) 及其它复合材料、纳米材料以及半导体、陶瓷材料缺陷等。

Materials Studio 中的半经验量子力学模块： ?DFTB+( 紧束缚近似方法)

DFTB+ 是一款融合了密度泛函方法(DFT) 准确性和紧束缚方法(TB) 高效性的半经验量子力学程序，其中所采用的原子轨道波函数和原子核间相互作用势均基于DMol3 的结果拟合得到。DFTB+ 可以对数千个原子体系进行模拟研究，为解决电子、催化、化工等领域中各种复杂体系及复杂过程的相关问题提供一种新的模拟方法。对于传统量化模块遇到的，如反应动力学过程等需要花费研究者大量时间和计算资源的问题，DFTB+ 有其独有的优势。所涉及的研究对象包括有机分子、团簇、绝缘体、半导体、金属，甚至是生物大分子等各类非周期性和周期性体系。

?VAMP( 原子轨道线性组合方法)

VAMP 是一款基于原子轨道线性组合方法的半经验量子力学程序。它通过忽略部分不太重要的原子轨道重叠积分或者用经验参数( 基于实验数据拟合得到) 替代部分轨道重叠积分的方式简化计算。具体的方式包括NDDO 和ZINDO，以及在两者基础上演化而来的MNDO、MNDO/C、MNDO/d、AM1、AM1*5.0、PM3、PM64.4、CNDO 以及INDO。各种方式在简化的积分类型、适用的元素范围、适用的性质计算上都有一定的区别，可根据需要进行选择。VAMP 主要是对有机和无机分子体系进行模拟计算，它可以快速计算分子的多种物理和化学性质。

Materials Studio中的经典模拟方法可分为三类： 一、Materials Studio 中的分子力学、动力学模块： COMPASS II( 高精度力场)

COMPASS 是一个功能强大的、基于量子力学方法，并且能够对凝聚态体系进行原子尺度模拟研究的力场。对其参数有效性的考察，不仅包括了单分子( 气态) 的量子力学计算结果以及实验结果，还充分考虑了其凝聚态性能。因此，COMPASS 可在一个很大的温度、压力范围内，精确地预测多种单分子及其凝聚态的结构、构象、振动及热物理性质。Materials Studio7.0 在此基础上推出了COMPASS II，添加对离子液体的支持，强化对聚合物和杂环体系的计算精度，包含的力场类型增加到253 个(COMPASS229个)， 参数及函数项增加到8294 个(COMPASS 3856个)。 Forcite Plus( 包含各种通用力场)

Forcite Plus 是一款分子力学和分子动力学模拟程序。它可以对分子、表面或三维周期性材料体系进行快速的能量计算、几何优化以及各种系综下的动力学模拟研究，可以分析材料体系的各种结构参数、热力学性质、力学性质、动力学性