Materials Studio 材料模擬計算平臺

Materials Studio 是多尺度多功能分子模擬軟件平臺。它不僅擁有優(yōu)異的操作界面，快捷實現(xiàn)模型搭建、參數(shù)設定以及結(jié)果的可視化分析，而且融合多種模擬方式，整合多達 23 個功能模塊，實現(xiàn)從電子結(jié)構(gòu)解析到宏達性能預測的全尺度科學研究。歷經(jīng) 18 年的發(fā)展，Materials Studio 變得更加*，更加靈活，多種應用程序接口以及腳本編寫功能的添加使其能夠更好的滿足各類用戶的研究需求。其所擁有的超過 500 家用戶涵蓋材料、物理、化學、化工等多個領域，相關(guān)的研究工作在各類quan'wei期刊上發(fā)表論文近兩萬篇。

  Materials Studio 材料模擬計算平臺 模塊介紹  

• Visualizer
Materials visualizer 是 Materials Studio 的圖形化界面，也是整個平臺的核心。
Visualizer 的功能包括：

      • 搭建、調(diào)酸類三維可視的結(jié)構(gòu)模型，包括晶體、小分子、聚何物、納米材料、團簇、表界面、各種缺陷結(jié)構(gòu)以及電極模型^7.0；結(jié)合 perl 腳本，枚舉合金和空位結(jié)構(gòu)^8.0 ;

      • 提供模塊參數(shù)設置、結(jié)果分析的視窗界面；提供結(jié)構(gòu)文件、參數(shù)、文件以及結(jié)果文件的管理界面；提供計算進程的監(jiān)控界面；

      • 對模擬結(jié)果進行各種分析，可與結(jié)構(gòu)模型相結(jié)合進行數(shù)據(jù)的二維、三維顯示，可以給出數(shù)據(jù)的圖表，可以對特定的結(jié)果進行動畫演示或給出矢量圖；

Visualizer 的特性包括：

      • 支持多種結(jié)構(gòu)、圖形、文本文件格式的輸入和輸出；

      • 支持不同功能模塊間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的共享；

      • 提供 Perl 語言環(huán)境，以及腳本編寫；

      • 提供不規(guī)則多面體表面積、體積的計算工具。

■ 量子力學方法
量子力學方法（ Quantum Mechanics ）是一種能夠?qū)Σ牧象w系電子結(jié)構(gòu)特點進行研究的方法，精度高且?guī)缀醪灰蕾囉谌魏谓?jīng)驗參數(shù)，因此被廣泛應用在各類材料的模擬研究中。
半經(jīng)驗量子力學方法（ Semi - empirical Quantum Mechanics ）同樣能夠?qū)Σ牧象w系電子結(jié)構(gòu)特點進行研究，但是包含有更多的經(jīng)驗參數(shù)以及數(shù)學、物理近似，因此，計算效率相比于純粹的量子力學更高，但是精度會略低。
量子力學以及半經(jīng)驗量子力學方法均以定態(tài)薛定諤方程為核心，計算原子核滿足特定排列、堆積時，核外電子的空間、能量分布，并由此進一步得到體系的電學性質(zhì)、磁學性質(zhì)、光學性質(zhì)、熱力學性質(zhì)、力學性質(zhì)，所能研究的材料體系類型包括：各類晶體材料及可能的各種缺陷結(jié)構(gòu)，各種維度的納米材料，各種分子及團簇材料。量子力學方法zui多能夠計算數(shù)百原子模型的相關(guān)性質(zhì)，而半經(jīng)驗量子力學方法能夠計算數(shù)千原子的模型。
Materials Studio 中的量子力學模塊：

      • CASTEP（平面波贗勢方法）；

      • DMol³（原子軌道線性組合方法）；

      • QMERA（量子力學/分子力學雜化方法）；

      • ONETEP（線性標度方法）

Materials Studio 中的半經(jīng)驗量子力學模塊：

      • DFTB+ （緊束縛近＜肪法）；

      • VAMP （原子軌組合方法）

• Cantera
Cantera 是一款高速求解化學反應動力學的軟件，程序基于求解化學反應速率方程，通過給定反應混合物的起始組分，可以預測產(chǎn)物混合物的組分。Cantera 適應多種類型體系的研究，包括研究均勻體系如攪拌均勻的反應容器 ；反應網(wǎng)絡  ( networks of reactors )  以及一維的非均勻體系如火焰等。目前 Cantera 已經(jīng)應用于包括燃燒如航天發(fā)動機燃燒室反應 ；煤燃燒污染物排放技術(shù)相關(guān)設計 ；石油化工中的裂解反應過程 ；核工業(yè)中氫氣混合氣在安全殼內(nèi)的緩慢擴散燃燒設計 ；固定式燃氣輪機和本生燈中的燃燒進程 ；爆炸反應 ； 釀造、抗生素和柴油生產(chǎn)中推測產(chǎn)物和操作條件等諸多的化學反應領域中。
  Cantera 的主要功能： 

平衡態(tài)計算

一維層流預混火焰模擬

連續(xù)攪拌反應釜反應模擬

平推流 / 活塞流反應器模擬

  Cantera 的主要特性： 

      • Cantera 自帶的 Reaction Editor 功能允許用戶自定義全新的或者編輯已有的化學碰機理表格

      • 支持直接調(diào)用 DMol³ 模塊計算未知反應的熱動力學參數(shù)和速率參數(shù)，進而完備碰機理表格

      • 高效快速處理多組分多步的復雜反應

      • 支持腳本編輯功能，自定義軟件功能

      • 支持直接調(diào)用 Visualizer 面板的后處理工具得到詳細的結(jié)果信息圖表

■ 經(jīng)典模擬方法
經(jīng)典模擬方法無法準確描述體系的電子結(jié)構(gòu)，它以各類力場（ 勢函數(shù) ）表征原子、離子及分子間相互作用，其中包含有大量基于實驗數(shù)據(jù)或者量子力學方法的經(jīng)驗參數(shù)，所以，經(jīng)典模擬方法具有非常高的效率，能夠計算數(shù)千至數(shù)十萬原子模型的相關(guān)性質(zhì)，而計算精度則取決于勢函數(shù)及參數(shù)的適用性。
經(jīng)典模擬方法被僅用于描述體系某個定態(tài)的各類性質(zhì)時，稱為分子力學方法（ Molecular Mechanics ）；當與牛頓運動方程相結(jié)合，描述原子核在特定熱力學條件下的運動時，稱為分子動力學方法（ Molecular Dynamics ）。分子的可混性、內(nèi)聚能、潤濕性、力學性質(zhì)、擴散及阻隔、表面及孔道吸附、各種相關(guān)函數(shù)以及性質(zhì)的統(tǒng)計平均值均可基于分子力學、動力學結(jié)果獲得。當然，也可以把這種描述微觀粒子間相互作用的方法與蒙特卡洛（ Monte Carlo ）方法相結(jié)合，構(gòu)建無定形模型、研究分子的構(gòu)象或者搜尋可能的吸附位點。
Materials Studio 中包含多種力場，并允許使用者根據(jù)需要調(diào)整函數(shù)形式、編輯或擬合相關(guān)參數(shù)，所能夠研究的材料體系類型包括：聚合物、有機小分子，金屬單質(zhì)、合金、金屬氧化物 ，碳 ，硅納米材料 ，鈾、镎、钚的混合氧化物 ，粘土礦物等。
Materials Studio 中的分子力學、動力學模塊：
COMPASS Ⅱ（高精度力場）；
Forcite Plus（包含各種通用力場）；
GULP（包含各種針對無機體系的力場）
Materials Studio 中的定量結(jié)構(gòu) - 性能關(guān)系模塊：
Synthia
Materials Studio 中設計蒙特卡洛方法的模塊：
Amorphous Cell（無定形模型搭建）；
Adsorption Locator（吸附位、吸附構(gòu)象）；
Blends（混合體系相容性）；
Conformers（聚合物構(gòu)象）；
Sorption（吸附位、吸附等溫線）；
 

■ 介觀模擬方法
“ 模型粗?；?” 是介觀模擬方法與其它模擬方法的一個顯著區(qū)別。所謂的 “ 模型粗粒化 ”，是指將通常模型中的若干個原子視為一個基本結(jié)構(gòu)單元，等效為一個"珠子"，而這種由珠子構(gòu)成的結(jié)構(gòu)模型，稱為 “ 粗?；Ｐ?” 。介觀模擬方法即是采用各種勢函數(shù)描述珠子間的相互作用，以及在這種作用存在條件下，珠子的分布、運動、分析各種分布所形成的拓撲形貌以及與運動相關(guān)的結(jié)構(gòu)、動力學性質(zhì)。
" 模型粗粒化 " 使得介觀模擬方法能夠用更少的粒子，更簡單的勢函數(shù)形式，描述更大尺度的體系，它可以研究微米尺度模型在微 秒范疇內(nèi)的動力學過程。目前，常見的介觀模擬方法包括：基于保守力、耗散力以及隨機力描述珠子間相互作用的耗散粒子動力學 （DPD,Dissipative Particle Dynamics）;基于Martini、Shinoda力場描述珠子間相互作用的粗?；肿觿恿W（CGMD, Coarse - Grained Molecular Dynamics）;基于朗之萬方程（ Langevin equation ）的平均場密度泛函方法（ Mean-Field Density Functional Method ）。介觀模擬方法所能研究的體系包括：聚合物體系、各種溶液體系、復合材料體系、納米材料體系。
Materials Studio 中的介觀模擬模塊：
Mesocite（耗散粒子動力學、粗?；肿觿恿W）；
MesoDyn（平均場密度泛函方法）

■ 晶體、結(jié)晶與儀器分析方法
晶體結(jié)構(gòu)解析與晶粒形貌預測在晶態(tài)材料傾研究、藥物晶體篩選等方面有著廣泛的應用。
Materials Studio 提供了兩種不同的方法輔助晶體結(jié)構(gòu)的解析 ：其一，基于經(jīng)典模擬方法中的各種力場，結(jié)合對稱性，從能量的角度找到分子的各種穩(wěn)定排列和堆積，輔助分子晶體結(jié)構(gòu)的解析；其二，對粉晶 X 射線衍射圖譜、中子衍射圖譜以及電子衍射圖譜進行指標化， 然后利用蒙特卡洛模擬退火法或者回火法，在指標化數(shù)據(jù)的基礎上構(gòu)建材料的粗略結(jié)構(gòu)，zui后利用傳統(tǒng)的 Rietveld 方法精確確認結(jié)構(gòu)中各原子的坐標及相關(guān)的參數(shù)。對于實驗數(shù)據(jù)不易確認的輕元素位置，可以結(jié)合勢函數(shù)，從能量的角度輔助確認。
Materials Studio 提供了面間距、表面附著能以及表面自由能三種不同的判據(jù)輔助判斷特定晶體結(jié)構(gòu)材料可能的晶粒形貌，可以結(jié)合經(jīng)典模擬法引入對環(huán)境因素（ 溶劑、溫度等 ）的考量。
Materials Studio 中的晶體結(jié)構(gòu)解析模塊：
Polymorph Predictor（ 基于力場找到分子的穩(wěn)定堆積 ）；
X 射線、中子、電子衍射圖譜解析工具包
Materials Studio 中的晶粒形貌預測模塊：
Morphology（ 包含多種通用力場，預測晶粒形貌 ）

• X-Cell
一種建立在傳統(tǒng)二分法基礎上高效、易用的新指標化方法。
  X-Cell 的主要特性： 
      • 將系統(tǒng)消光規(guī)律引入指標化過程
      • 能夠給出細長或扁平晶胞的高質(zhì)量指標化結(jié)果
      • 成功率達到 92%，遠高于傳統(tǒng)的 DICVOL（46%）、TREOR (46%)、ITO (33%) 方法^a
      • 允許用于指標化的衍射峰中出現(xiàn)雜質(zhì)相衍射峰
      • 指標化結(jié)果已然考慮儀器零點漂移
^a基于 24 種代表性體系的測試

• Reflex
一個由材料粉晶 X 射線、同步輻射 X 射線、中子或者電子衍射圖譜獲取其晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度的工具包。
  Reflex 的主要功能： 
衍射模擬
指標化
結(jié)構(gòu)精修
結(jié)晶度計算
衍射圖譜處理
  Reflex 的主要特性： 
      • 與經(jīng)典分子模擬技術(shù)結(jié)合，以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性輔助結(jié)構(gòu)解析， 特別是輕原子坐標的確認
      • 支持多種實驗數(shù)據(jù)格式：Bruker、Stoe、Scintag、 Rigaku(Jade)、Philips、JCAMP、Galactic SPC、GSAS raw、ILL、PAnalytical XRDML
      • Pawley 修正方便獲得各種峰形函數(shù)的初始值
      • 支持多種靶材的快速設定，支持入射波波長、偏振的設定， 支持單色器設定
      • 可直接把數(shù)據(jù)導出為 CIF 文件
      • 支持 Perl 腳本^6.0

• Reflex Plus = Reflex + Powder Solve
Powder Solve 是一個基于蒙特卡洛模擬退火法或者平行回火法，堆積得到材料晶體結(jié)構(gòu)的工具。它可以在材料密度、化學式、晶胞參數(shù)、空間群確認的基礎上，得到原子各種可能的堆積排列方式，并依據(jù)其衍射圖譜與實測衍射圖譜的差異(剩余方差因子)，對各種堆積方 式作出取舍。Powder Solve 為進一步的 Rietveld 修正提供初始結(jié)構(gòu)，適于全新晶體結(jié)構(gòu)的研究。
  Powder Solve 的主要特性： 

      • 自動繼承 Pawley 修正得到的各種參數(shù)

      • 支持對結(jié)構(gòu)中角度和距離的限定，減少結(jié)構(gòu)自由度， 提高原子堆積效率^6.0

      • 可避免出現(xiàn)存在原子近距離接觸的不合理堆積

  
• Reflex QPA

Reflex QPA ( Quantitative Phase Analysis ) 是一個基于材料粉晶 X 射線、中子或者電子衍射圖譜進行物相分析的工具。各個單相的衍射圖譜、晶體結(jié)構(gòu)，都可用于混合相衍射圖譜的分析，給出各個單相的百分比含量。

  Reflex QPA 的主要功能： 
完整修正
修正相對含量
  Reflex QPA 的主要特性： 
      • 可基于混合相衍射圖譜和單相晶體結(jié)構(gòu)計算各相的相對含量
      • 可基于混合相衍射圖譜、單相晶體結(jié)構(gòu)以及衍射圖譜共同計算各相的相對含量
      • 可基于混合相衍射圖譜和單相衍射圖譜計算各相的相對含量
      • 支持內(nèi)標法確認各單相相對含量

■ 定量構(gòu)效關(guān)系
QSAR（ Quantitative Structure Activity Relationship ,定量構(gòu)效關(guān)系 ），是化學、化工以及材料領域中的一種重要研究手段。它通過構(gòu)建材料的實驗信息（ “性質(zhì)” ）和分子水平特征（ “描述符” ）之間的統(tǒng)計回歸模型，進而預測未知材料的性質(zhì)。所涉及的體系包括分子晶體、無機晶體、分子篩、高聚物、表面活性劑等。QSAR 的應用可以*的提升高性能材料的研發(fā)速率。
  QSAR 的主要功能： 
初始分析
數(shù)據(jù)簡化
聚類分析
聚類評價
模型構(gòu)建
孤立點分析
  QSAR 中的建模方法： 
      • 多元線性回歸方法
      • 遺傳算法
      • 偏zui小二乘方法
      • 神經(jīng)網(wǎng)絡算法^3
a此建模方法包含在 QSAR Plus
  QSAR 中的描述符： 
原子體積、表面參數(shù)
原子描述符
快速描述符
分子片段計數(shù)
幾何參數(shù)
Jurs 描述符
結(jié)構(gòu)標注
周期性描述符
空間描述符
吸附參數(shù)
DMol³描述符^a
Forcite 描述符
晶體相似性
多晶型聚類分析
粉晶比較描述符
VAMP 描述符
^a此描述符僅包含在 QSAR Plus 中

  Materials Studio 中的 Perl 腳本  
隨著分子模擬技術(shù)的發(fā)展，為了更好、更靈活地使用各個模塊的功能、處理得到的數(shù)據(jù)，Materials Studio 逐步開放了基于 Perl 語言的腳本編寫。
它能夠?qū)崿F(xiàn)多種計算過程的自動化處理 ： 
      • 重復性計算任務的自動化處理
      • 涉及多個模塊、多種任務的流程化計算過程的自動化處理
能夠拓展 Materials Studio 的應用 ：
      • 實現(xiàn) Materials Studio 中的模塊所不具備的模擬功能
      • 在 Materials Studio 中整合其它程序

Materials Studio 提供了豐富的應用程序接口，涉及到文件處理、模型搭建以及囊括量化方法、經(jīng)典模擬方法、介觀模擬方法、結(jié)構(gòu)解析方法在內(nèi)的 13 個功能模塊。
Materials Studio 在硬盤上建立了獨立的文件夾保存腳本文件，并在 Visualizer 中增加了 User 菜單選項，通過這個選項可以打開 Script Library 窗口，實現(xiàn)腳本管理和調(diào)用的界面操作^6.0。
Materials Studio 在各個建模、計算以及分析窗口中，都添加了腳本生成按鈕，方便把相應的操作轉(zhuǎn)換為腳本^7.0，為腳本的使用提供了*的便利。

Perl 腳本的應用程序接口：
文件相關(guān)：*.xsd、*.xcd、*.xtd 文件，力場文件、Study table 文件、文本文件
模擬模塊：AdsorptionLocator、AmorphousCell、CASTEP、CCDC、DFTB+、DMol³、ForcitePlus、Mesocite、Morphology、Polymorph Predictor、Reflex、Sorption、VAMP

  Materials Studio 與 Pipeline Pilot 的結(jié)合  
什么是 Pipeline Pilot ?
Pipeline PiIot ( PP ) 的是 Accel rys 公司旗下的一款圖形化工作流軟件，具備功能*的信息整合和流程定制能力，其在優(yōu)化研究創(chuàng)新周期、提高工作效率與減少研究和 IT 經(jīng)費方面能發(fā)揮巨大作用。用戶不僅能夠通過 Pipeline Pilot 整合和挖掘海量的研究數(shù)據(jù)、自動化數(shù)據(jù)的分析流程，而且還可以實現(xiàn)企業(yè)級的研究成果快速分析、可視化與共享，提升大范圍的協(xié)作能力。

Pipeline Pilot 與 Materials Studio 的整合
Materials Studio在菜單中具有pipeline pilot protocols 選項，可以直接調(diào)用Pipeline Pilot 的相關(guān)計算功能^6.0； Pipeline Pilot 中的Materials studio component collection ( MSC ) 模塊集成了 MS 中主要的建模和模擬工具，可以為材料研究的預測分析和自動化工作流程提供完整的軟件解決方案。