Materials Studio 材料模拟计算平台

Materials Studio 是多尺度多功能分子模拟软件平台。它不仅拥有优异的操作界面，快捷实现模型搭建、参数设定以及结果的可视化分析，而且融合多种模拟方式，整合多达 23 个功能模块，实现从电子结构解析到宏达性能预测的全尺度科学研究。历经 18 年的发展，Materials Studio 变得更加完善，更加灵活，多种应用程序接口以及脚本编写功能的添加使其能够更好的满足各类用户的研究需求。其所拥有的超过 500 家用户涵盖材料、物理、化学、化工等多个领域，相关的研究工作在各类quan'wei期刊上发表论文近两万篇。

  Materials Studio 材料模拟计算平台 模块介绍  

• Visualizer
Materials visualizer 是 Materials Studio 的图形化界面，也是整个平台的核心。
Visualizer 的功能包括：

      • 搭建、调酸类三维可视的结构模型，包括晶体、小分子、聚何物、纳米材料、团簇、表界面、各种缺陷结构以及电极模型^7.0；结合 perl 脚本，枚举合金和空位结构^8.0 ;

      • 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；

Visualizer 的特性包括：

      • 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；

      • 提供不规则多面体表面积、体积的计算工具。

■ 量子力学方法
量子力学方法（ Quantum Mechanics ）是一种能够对材料体系电子结构特点进行研究的方法，精度高且几乎不依赖于任何经验参数，因此被广泛应用在各类材料的模拟研究中。
半经验量子力学方法（ Semi - empirical Quantum Mechanics ）同样能够对材料体系电子结构特点进行研究，但是包含有更多的经验参数以及数学、物理近似，因此，计算效率相比于纯粹的量子力学更高，但是精度会略低。
量子力学以及半经验量子力学方法均以定态薛定谔方程为核心，计算原子核满足特定排列、堆积时，核外电子的空间、能量分布，并由此进一步得到体系的电学性质、磁学性质、光学性质、热力学性质、力学性质，所能研究的材料体系类型包括：各类晶体材料及可能的各种缺陷结构，各种维度的纳米材料，各种分子及团簇材料。量子力学方法zui多能够计算数百原子模型的相关性质，而半经验量子力学方法能够计算数千原子的模型。
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＜肪法）；

      • VAMP （原子轨组合方法）

• Cantera
Cantera 是一款高速求解化学反应动力学的软件，程序基于求解化学反应速率方程，通过给定反应混合物的起始组分，可以预测产物混合物的组分。Cantera 适应多种类型体系的研究，包括研究均匀体系如搅拌均匀的反应容器 ；反应网络  ( networks of reactors )  以及一维的非均匀体系如火焰等。目前 Cantera 已经应用于包括燃烧如航天发动机燃烧室反应 ；煤燃烧污染物排放技术相关设计 ；石油化工中的裂解反应过程 ；核工业中氢气混合气在安全壳内的缓慢扩散燃烧设计 ；固定式燃气轮机和本生灯中的燃烧进程 ；爆炸反应 ； 酿造、抗生素和柴油生产中推测产物和操作条件等诸多的化学反应领域中。
  Cantera 的主要功能： 

平衡态计算

一维层流预混火焰模拟

连续搅拌反应釜反应模拟

平推流 / 活塞流反应器模拟

  Cantera 的主要特性： 

      • Cantera 自带的 Reaction Editor 功能允许用户自定义全新的或者编辑已有的化学碰机理表格

      • 支持直接调用 DMol³ 模块计算未知反应的热动力学参数和速率参数，进而完备碰机理表格

      • 高效快速处理多组分多步的复杂反应

      • 支持脚本编辑功能，自定义软件功能

      • 支持直接调用 Visualizer 面板的后处理工具得到详细的结果信息图表

■ 经典模拟方法
经典模拟方法无法准确描述体系的电子结构，它以各类力场（ 势函数 ）表征原子、离子及分子间相互作用，其中包含有大量基于实验数据或者量子力学方法的经验参数，所以，经典模拟方法具有非常高的效率，能够计算数千至数十万原子模型的相关性质，而计算精度则取决于势函数及参数的适用性。
经典模拟方法被仅用于描述体系某个定态的各类性质时，称为分子力学方法（ Molecular Mechanics ）；当与牛顿运动方程相结合，描述原子核在特定热力学条件下的运动时，称为分子动力学方法（ Molecular Dynamics ）。分子的可混性、内聚能、润湿性、力学性质、扩散及阻隔、表面及孔道吸附、各种相关函数以及性质的统计平均值均可基于分子力学、动力学结果获得。当然，也可以把这种描述微观粒子间相互作用的方法与蒙特卡洛（ Monte Carlo ）方法相结合，构建无定形模型、研究分子的构象或者搜寻可能的吸附位点。
Materials Studio 中包含多种力场，并允许使用者根据需要调整函数形式、编辑或拟合相关参数，所能够研究的材料体系类型包括：聚合物、有机小分子，金属单质、合金、金属氧化物 ，碳 ，硅纳米材料 ，铀、镎、钚的混合氧化物 ，粘土矿物等。
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力场）
Materials Studio 中的定量结构 - 性能关系模块：
Synthia
Materials Studio 中设计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）；
 

■ 介观模拟方法
“ 模型粗粒化 ” 是介观模拟方法与其它模拟方法的一个显著区别。所谓的 “ 模型粗粒化 ”，是指将通常模型中的若干个原子视为一个基本结构单元，等效为一个"珠子"，而这种由珠子构成的结构模型，称为 “ 粗粒化模型 ” 。介观模拟方法即是采用各种势函数描述珠子间的相互作用，以及在这种作用存在条件下，珠子的分布、运动、分析各种分布所形成的拓扑形貌以及与运动相关的结构、动力学性质。
" 模型粗粒化 " 使得介观模拟方法能够用更少的粒子，更简单的势函数形式，描述更大尺度的体系，它可以研究微米尺度模型在微 秒范畴内的动力学过程。目前，常见的介观模拟方法包括：基于保守力、耗散力以及随机力描述珠子间相互作用的耗散粒子动力学 （DPD,Dissipative Particle Dynamics）;基于Martini、Shinoda力场描述珠子间相互作用的粗粒化分子动力学（CGMD, Coarse - Grained Molecular Dynamics）;基于朗之万方程（ Langevin equation ）的平均场密度泛函方法（ Mean-Field Density Functional Method ）。介观模拟方法所能研究的体系包括：聚合物体系、各种溶液体系、复合材料体系、纳米材料体系。
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）

■ 晶体、结晶与仪器分析方法
晶体结构解析与晶粒形貌预测在晶态材料倾研究、药物晶体筛选等方面有着广泛的应用。
Materials Studio 提供了两种不同的方法辅助晶体结构的解析 ：其一，基于经典模拟方法中的各种力场，结合对称性，从能量的角度找到分子的各种稳定排列和堆积，辅助分子晶体结构的解析；其二，对粉晶 X 射线衍射图谱、中子衍射图谱以及电子衍射图谱进行指标化， 然后利用蒙特卡洛模拟退火法或者回火法，在指标化数据的基础上构建材料的粗略结构，zui后利用传统的 Rietveld 方法精确确认结构中各原子的坐标及相关的参数。对于实验数据不易确认的轻元素位置，可以结合势函数，从能量的角度辅助确认。
Materials Studio 提供了面间距、表面附着能以及表面自由能三种不同的判据辅助判断特定晶体结构材料可能的晶粒形貌，可以结合经典模拟法引入对环境因素（ 溶剂、温度等 ）的考量。
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
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 ）

• X-Cell
一种建立在传统二分法基础上高效、易用的新指标化方法。
  X-Cell 的主要特性： 
      • 将系统消光规律引入指标化过程
      • 能够给出细长或扁平晶胞的高质量指标化结果
      • 成功率达到 92%，远高于传统的 DICVOL（46%）、TREOR (46%)、ITO (33%) 方法^a
      • 允许用于指标化的衍射峰中出现杂质相衍射峰
      • 指标化结果已然考虑仪器零点漂移
^a基于 24 种代表性体系的测试

• Reflex
一个由材料粉晶 X 射线、同步辐射 X 射线、中子或者电子衍射图谱获取其晶体结构、结晶度的工具包。
  Reflex 的主要功能： 
衍射模拟
指标化
结构精修
结晶度计算
衍射图谱处理
  Reflex 的主要特性： 
      • 与经典分子模拟技术结合，以结构稳定性辅助结构解析， 特别是轻原子坐标的确认
      • 支持多种实验数据格式：Bruker、Stoe、Scintag、 Rigaku(Jade)、Philips、JCAMP、Galactic SPC、GSAS raw、ILL、PAnalytical XRDML
      • Pawley 修正方便获得各种峰形函数的初始值
      • 支持多种靶材的快速设定，支持入射波波长、偏振的设定， 支持单色器设定
      • 可直接把数据导出为 CIF 文件
      • 支持 Perl 脚本^6.0

• Reflex Plus = Reflex + Powder Solve
Powder Solve 是一个基于蒙特卡洛模拟退火法或者平行回火法，堆积得到材料晶体结构的工具。它可以在材料密度、化学式、晶胞参数、空间群确认的基础上，得到原子各种可能的堆积排列方式，并依据其衍射图谱与实测衍射图谱的差异(剩余方差因子)，对各种堆积方 式作出取舍。Powder Solve 为进一步的 Rietveld 修正提供初始结构，适于全新晶体结构的研究。
  Powder Solve 的主要特性： 

      • 自动继承 Pawley 修正得到的各种参数

      • 支持对结构中角度和距离的限定，减少结构自由度， 提高原子堆积效率^6.0

      • 可避免出现存在原子近距离接触的不合理堆积

  
• Reflex QPA

Reflex QPA ( Quantitative Phase Analysis ) 是一个基于材料粉晶 X 射线、中子或者电子衍射图谱进行物相分析的工具。各个单相的衍射图谱、晶体结构，都可用于混合相衍射图谱的分析，给出各个单相的百分比含量。

  Reflex QPA 的主要功能： 
完整修正
修正相对含量
  Reflex QPA 的主要特性： 
      • 可基于混合相衍射图谱和单相晶体结构计算各相的相对含量
      • 可基于混合相衍射图谱、单相晶体结构以及衍射图谱共同计算各相的相对含量
      • 可基于混合相衍射图谱和单相衍射图谱计算各相的相对含量
      • 支持内标法确认各单相相对含量

■ 定量构效关系
QSAR（ Quantitative Structure Activity Relationship ,定量构效关系 ），是化学、化工以及材料领域中的一种重要研究手段。它通过构建材料的实验信息（ “性质” ）和分子水平特征（ “描述符” ）之间的统计回归模型，进而预测未知材料的性质。所涉及的体系包括分子晶体、无机晶体、分子筛、高聚物、表面活性剂等。QSAR 的应用可以*的提升高性能材料的研发速率。
  QSAR 的主要功能： 
初始分析
数据简化
聚类分析
聚类评价
模型构建
孤立点分析
  QSAR 中的建模方法： 
      • 多元线性回归方法
      • 遗传算法
      • 偏zui小二乘方法
      • 神经网络算法^3
a此建模方法包含在 QSAR Plus
  QSAR 中的描述符： 
原子体积、表面参数
原子描述符
快速描述符
分子片段计数
几何参数
Jurs 描述符
结构标注
周期性描述符
空间描述符
吸附参数
DMol³描述符^a
Forcite 描述符
晶体相似性
多晶型聚类分析
粉晶比较描述符
VAMP 描述符
^a此描述符仅包含在 QSAR Plus 中

  Materials Studio 中的 Perl 脚本  
随着分子模拟技术的发展，为了更好、更灵活地使用各个模块的功能、处理得到的数据，Materials Studio 逐步开放了基于 Perl 语言的脚本编写。
它能够实现多种计算过程的自动化处理 ： 
      • 重复性计算任务的自动化处理
      • 涉及多个模块、多种任务的流程化计算过程的自动化处理
能够拓展 Materials Studio 的应用 ：
      • 实现 Materials Studio 中的模块所不具备的模拟功能
      • 在 Materials Studio 中整合其它程序

Materials Studio 提供了丰富的应用程序接口，涉及到文件处理、模型搭建以及囊括量化方法、经典模拟方法、介观模拟方法、结构解析方法在内的 13 个功能模块。
Materials Studio 在硬盘上建立了独立的文件夹保存脚本文件，并在 Visualizer 中增加了 User 菜单选项，通过这个选项可以打开 Script Library 窗口，实现脚本管理和调用的界面操作^6.0。
Materials Studio 在各个建模、计算以及分析窗口中，都添加了脚本生成按钮，方便把相应的操作转换为脚本^7.0，为脚本的使用提供了*的便利。

Perl 脚本的应用程序接口：
文件相关：*.xsd、*.xcd、*.xtd 文件，力场文件、Study table 文件、文本文件
模拟模块：AdsorptionLocator、AmorphousCell、CASTEP、CCDC、DFTB+、DMol³、ForcitePlus、Mesocite、Morphology、Polymorph Predictor、Reflex、Sorption、VAMP

  Materials Studio 与 Pipeline Pilot 的结合  
什么是 Pipeline Pilot ?
Pipeline PiIot ( PP ) 的是 Accel rys 公司旗下的一款图形化工作流软件，具备功能强大的信息整合和流程定制能力，其在优化研究创新周期、提高工作效率与减少研究和 IT 经费方面能发挥巨大作用。用户不仅能够通过 Pipeline Pilot 整合和挖掘海量的研究数据、自动化数据的分析流程，而且还可以实现企业级的研究成果快速分析、可视化与共享，提升大范围的协作能力。

Pipeline Pilot 与 Materials Studio 的整合
Materials Studio在菜单中具有pipeline pilot protocols 选项，可以直接调用Pipeline Pilot 的相关计算功能^6.0； Pipeline Pilot 中的Materials studio component collection ( MSC ) 模块集成了 MS 中主要的建模和模拟工具，可以为材料研究的预测分析和自动化工作流程提供完整的软件解决方案。