Material Studio 模块介绍及入门

Posted by XiLock on December 25, 2019

教程

建模
  1. MS建模教程三步法
  2. 基于Materials Studio的异质结构建模技巧

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:

  1. 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;
  2. 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;
  3. 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;
  4. 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:

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、动力学性质以及统计学性质。主要应用于有机、无机小分子、有机金属络合物、高分子聚合物、纳米及多孔材料、部分金属、金属氧化物晶体及晶体表界面结构的研究。

GULP( 包含各种针对无机体系的专用力场)
GULP 是一款分子力学和分子动力学模拟程序。它可以对具有零维、一维、二维、三维结构的各种材料体系的多种性质进行计算、解释和预测。GULP 具有多种针对性较强的势函数,譬如支持壳层模型的Bush、Lewis 势以及多种原子嵌入势(EAM) 和改良嵌入势(MEAM),适合于较高精度地研究多种无机材料体系包括金属、合金体系,此外,它还具备Brenner、Tersoff 等针对碳材料的势函数, 以及可用于研究化学反应的ReaxFF 力场。不仅如此,GULP 提供了拟合和编辑势函数的工具,可结合量子力学的计算结果或者实验数据,拟合针对性更强的势函数,提高模拟计算精度。对于有机小分子、金属单质、合金、金属氧化物、碳、硅纳米材料、硅铝多孔材料、铀、镎、钚的混合氧化物以及粘土矿物,GULP 均可做较高精度的研究。
Materials Studio 中涉及蒙特卡洛方法的模块:
Amorphous Cell( 无定形模型搭建)
Amorphous Cell 模块是一个采用蒙特卡洛方法搭建无定形模型的工具。它可用于搭建具有多种组分及不同配比的高分子共混模型、溶液模型、复合材料模型、固液/ 固气界面模型、孔道填充模型、向列型液晶模型等,对塑料、玻璃、食品、化工以及复合材料等领域的模拟工作具有重要的辅助作用。
Adsorption Locator( 吸附位、吸附构象)

Adsorption Locator 是一款采用蒙特卡罗模拟退火方法搜索吸附质在基底材料上的最低能量吸附构象的程序,它可以给出吸附质的稳定吸附位点、混合吸附质的优先吸附成分、纳米级催化剂的活性位、原子层沉积过程的最稳定位置,帮助研究人员从原子水平上了解吸附过程( 结构影响、添加剂作用)。在涂料开发、表面腐蚀研究、催化剂设计以及晶体结晶形貌等领域具有理论指导意义。

Blends( 混合体系相容性)

Blends 是一款以力场为基础,采用扩展的Flory-Huggins 模型估算二元混合物体系相容性的程序,可以有效的缩短工艺探索周期。这些二元混合物包括溶剂- 溶剂、聚合物- 溶剂以及聚合物- 聚合物。这种模拟技术能够直接从二元混合物的化学结构预测出混合物的热力学性质。作为一个快速的筛选工具,Blends 可以在缩减试验次数的同时开发出稳定的产品配方,它在粘结剂、医药品、化妆品、金属特种表面涂层、眼镜和塑胶等材料制备领域具有重要作用。

Conformers( 聚合物构象)

Conformers 是一款以力场为基础,搜寻分子最低能量构象的程序。它包含多种方法,多种判据以及多种可控条件,能够高效地探索各类分子的构象,包括环状结构的分子。不仅如此,Conformers 还具有一定的分析功能,可以建立分子构象与其能量、偶极矩、回转半径之间的关系。在结晶、催化以及聚合物研究等诸多领域,Conformers 都具有很高的应用价值。

Sorption( 吸附位、吸附等温线)

Sorption 是一款基于巨正则蒙特卡洛(GCMC, Grand Canonical Monte Carlo) 方法预测单一或混合组分在微孔材料和介孔材料中吸附的程序。它所涉及的体系包括分子筛、铝磷酸盐、粘土、纳米管、聚合物膜、硅胶、活性炭和金属- 有机骨架材料等。Sorption 可直接给出吸附等温线( 载荷曲线)、亨利常数等性质,可应用于气体分离、烃类裂解、气体传感器以及离子交换等诸多领域的研究, 大大提高工业用气体、石油石化产品以及特种催化剂的生产效率,有助于提升商业利润。

Materials Studio中的定量结构-性能关系模块:

Synthia

Synthia 是一款以美国陶氏公司Jozef Bicerano 博士的工作为基础,使用先进的定量结构- 性能关系方法(QSPR,Quantitative Structure Property Relationship) 预测聚合物性质的程序。不同于传统的基团贡献法,Synthia 使用聚合物的拓扑信息,特别是源于图论的连接指数,建立原子和化学键与聚合物性质的关联,因此,它可以预测由碳、氢、氧、氮、硅、硫、氟、氯和溴组成的所有聚合物的性质,而不受基团贡献数据库的限制。Synthia 的预测结果在实际工作中得到了广泛的验证。

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)
  Mecocite 是一个包含粗粒化分子动力学以及耗散粒子动力学两种方法,并以软凝聚态材料为主要研究对象的介观模拟工具。依靠介观方法在时间和空间尺度上的优势,Mecocite 可以更加快捷的研究添加剂、溶剂、单体类型、比例对各种均聚、嵌段、枝状聚合物结构、性能的影响;研究大分子的扩散;研究纳米复合材料中纳米管的分散性等。它在复合材料、涂料、化妆品以及药物的控释领域具有重要应用。
MesoDyn( 平均场密度泛函方法)
  MesoDyn 是一款基于动态平均场密度泛函方法的介观模拟程序,主要用于复杂流体,包括聚合物熔体和混合体系在介观尺度的动力学研究。它将真实的聚合物转化为高斯链(Gaussian Chain) 模型,将真实体系的动力学过程转变为不存在相互作用的高斯链在一个平均场作用下的运动,此时的运动利用朗之万泛函方程描述,此时的平均场则与表征聚合物相互作用的Flory-Huggins 参数密切相关。MesoDyn 可以模拟100- 1000nm 的体系,可以非常方便的研究复杂流体、聚合物共混的动力学过程和稳定拓扑形貌,在涂料、化妆品、混合材料、表面溶剂、复杂药物传输以及相关领域具有广泛应用。

Materials Studio 中的晶体、结晶与仪器分析方法可分为两类:

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)
  Polymorph Predictor 是一个以力场为基础,采用蒙特卡洛模拟退火法,由给定化合物的分子结构预测其多晶型的工具。晶体材料在制药、农药、染料、炸药以及专用化学品工业中有着非常普遍的应用,然而,由于晶体结构的多样性,即使具有相同的分子结构,这些晶体材料在贮存期、生物药效、溶解性、形貌、蒸汽压、密度、颜色和冲击感度等方面往往具有明显差异,因此,对材料各种可能晶型的预测和性质研究显得非常重要。

X 射线、中子、电子衍射图谱解析工具包

X-Cell

已申请专利的X-Cell是一种全新、高效、综合、易用的指标化算法,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,同时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

Reflex

模拟晶体材料的X光、中子以及电子等多种粉末衍射图谱。可以帮助确定晶体的结构,解析衍射数据并用于验证计算和实验结果。模拟的谱图可以直接与实验数据比较,并能根据结构的改变进行即时的更新。粉末衍射指标化算法包括:TREOR90, DICVOL91, ITO and X-Cell。结构精修工具包括Rietveld精修和Pawley精修。另外,Reflex可以利用粉末衍射的无定型参考数据和结晶参考数据来确定物质的结晶度(Crystallinity)。

Reflex Plus

在Reflex标准功能的基础上加入已被广泛验证的Powder Solve技术,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),对各种堆积方式做出取舍。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。

Reflex QPA

利用粉末衍射数据及Rietveld方法进行定量相分析的强大工具,可以通过多相样品的粉末衍射图判定不同组成成分的相对比例。可用于化学品或医药工业中有机或无机材料组成成分的确定。

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)

Morphology 是一个通过材料晶体结构预测其晶粒形貌的工具。它可对特定添加剂、溶剂以及杂质存在下的晶体形貌研究提供帮助。其主要应用领域包括医药品、农用化学品、食品科学、石油化工、水泥、日用品以及特殊化学品等。

Materials Studio中的定量构效关系模块:

QSAR(Quantitative Structure Activity Relationship,定量构效关系)

QSAR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 的应用可以极大的提升高性能材料的研发速率。

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。Perl能够实现重复性计算任务和涉及多个模块、多种任务的流程化计算过程的自动化处理,同时能够拓展Materials Studio 的应用,实现Materials Studio 中的模块所不具备的模拟功能,支持在Materials Studio 中整合其它程序。

Modules Tutorials

见参考资料:《Materials Studio: Modules Tutorials》

参考资料

  1. Materials Studio: Modules Tutorials
  2. Materials Studio工具模块介绍
  3. Materials Studio 新一代材料模拟软件
  4. Materials Studio 建模问题集锦


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