Materials Studio 材料模擬計(jì)算平臺(tái)

Materials Studio 是多尺度多功能分子模擬軟件平臺(tái)。它不僅擁有優(yōu)異的操作界面，快捷實(shí)現(xiàn)模型搭建、參數(shù)設(shè)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(dá) 23 個(gè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)從電子結(jié)構(gòu)解析到宏達(dá)性能預(yù)測的全尺度科學(xué)研究。歷經(jīng) 18 年的發(fā)展，Materials Studio 變得更加完善，更加靈活，多種應(yīng)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(xué)、化工等多個(gè)領(lǐng)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(jì)算平臺(tái) 模塊介紹  

• Visualizer
Materials visualizer 是 Materials Studio 的圖形化界面，也是整個(gè)平臺(tái)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(tuán)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(shè)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(jì)算進(jìn)程的監(jiān)控界面；

      • 對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行各種分析，可與結(jié)構(gòu)模型相結(jié)合進(jìn)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(duì)特定的結(jié)果進(jìn)行動(dòng)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(jì)算工具。

■ 量子力學(xué)方法
量子力學(xué)方法（ Quantum Mechanics ）是一種能夠?qū)Σ牧象w系電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行研究的方法，精度高且?guī)缀醪灰蕾囉谌魏谓?jīng)驗(yàn)參數(shù)，因此被廣泛應(yīng)用在各類材料的模擬研究中。
半經(jīng)驗(yàn)量子力學(xué)方法（ Semi - empirical Quantum Mechanics ）同樣能夠?qū)Σ牧象w系電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行研究，但是包含有更多的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)以及數(shù)學(xué)、物理近似，因此，計(jì)算效率相比于純粹的量子力學(xué)更高，但是精度會(huì)略低。
量子力學(xué)以及半經(jīng)驗(yàn)量子力學(xué)方法均以定態(tài)薛定諤方程為核心，計(jì)算原子核滿足特定排列、堆積時(shí)，核外電子的空間、能量分布，并由此進(jìn)一步得到體系的電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)、力學(xué)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(tuán)簇材料。量子力學(xué)方法zui多能夠計(jì)算數(shù)百原子模型的相關(guān)性質(zhì)，而半經(jīng)驗(yàn)量子力學(xué)方法能夠計(jì)算數(shù)千原子的模型。
Materials Studio 中的量子力學(xué)模塊：

      • CASTEP（平面波贗勢(shì)方法）；

      • DMol³（原子軌道線性組合方法）；

      • QMERA（量子力學(xué)/分子力學(xué)雜化方法）；

      • ONETEP（線性標(biāo)度方法）

Materials Studio 中的半經(jīng)驗(yàn)量子力學(xué)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(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的軟件，程序基于求解化學(xué)反應(yīng)速率方程，通過給定反應(yīng)混合物的起始組分，可以預(yù)測產(chǎn)物混合物的組分。Cantera 適應(yīng)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(yīng)容器 ；反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)  ( networks of reactors )  以及一維的非均勻體系如火焰等。目前 Cantera 已經(jīng)應(yīng)用于包括燃燒如航天發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室反應(yīng) ；煤燃燒污染物排放技術(shù)相關(guān)設(shè)計(jì) ；石油化工中的裂解反應(yīng)過程 ；核工業(yè)中氫氣混合氣在安全殼內(nèi)的緩慢擴(kuò)散燃燒設(shè)計(jì) ；固定式燃?xì)廨啓C(jī)和本生燈中的燃燒進(jìn)程 ；爆炸反應(yīng) ； 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(xué)反應(yīng)領(lǐng)域中。
  Cantera 的主要功能： 

平衡態(tài)計(jì)算

一維層流預(yù)混火焰模擬

連續(xù)攪拌反應(yīng)釜反應(yīng)模擬

平推流 / 活塞流反應(yīng)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(xué)碰機(jī)理表格

      • 支持直接調(diào)用 DMol³ 模塊計(jì)算未知反應(yīng)的熱動(dòng)力學(xué)參數(shù)和速率參數(shù)，進(jìn)而完備碰機(jī)理表格

      • 高效快速處理多組分多步的復(fù)雜反應(yīng)

      • 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(xì)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(zhǔn)確描述體系的電子結(jié)構(gòu)，它以各類力場（ 勢(shì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者量子力學(xué)方法的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，所以，經(jīng)典模擬方法具有非常高的效率，能夠計(jì)算數(shù)千至數(shù)十萬原子模型的相關(guān)性質(zhì)，而計(jì)算精度則取決于勢(shì)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(gè)定態(tài)的各類性質(zhì)時(shí)，稱為分子力學(xué)方法（ Molecular Mechanics ）；當(dāng)與牛頓運(yùn)動(dòng)方程相結(jié)合，描述原子核在特定熱力學(xué)條件下的運(yùn)動(dòng)時(shí)，稱為分子動(dòng)力學(xué)方法（ Molecular Dynamics ）。分子的可混性、內(nèi)聚能、潤濕性、力學(xué)性質(zhì)、擴(kuò)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(jì)平均值均可基于分子力學(xué)、動(dòng)力學(xué)結(jié)果獲得。當(dāng)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(diǎn)。
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(jī)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(xué)、動(dòng)力學(xué)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(duì)無機(jī)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(shè)計(jì)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(gè)顯著區(qū)別。所謂的 “ 模型粗?；?”，是指將通常模型中的若干個(gè)原子視為一個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元，等效為一個(gè)"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(shì)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(yùn)動(dòng)、分析各種分布所形成的拓?fù)湫蚊惨约芭c運(yùn)動(dòng)相關(guān)的結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。
" 模型粗?；?" 使得介觀模擬方法能夠用更少的粒子，更簡單的勢(shì)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(dòng)力學(xué)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(jī)力描述珠子間相互作用的耗散粒子動(dòng)力學(xué) （DPD,Dissipative Particle Dynamics）;基于Martini、Shinoda力場描述珠子間相互作用的粗?；肿觿?dòng)力學(xué)（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(fù)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(dòng)力學(xué)、粗粒化分子動(dòng)力學(xué)）；
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(yù)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(yīng)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(duì)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(duì)粉晶 X 射線衍射圖譜、中子衍射圖譜以及電子衍射圖譜進(jìn)行指標(biāo)化， 然后利用蒙特卡洛模擬退火法或者回火法，在指標(biāo)化數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)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(rèn)結(jié)構(gòu)中各原子的坐標(biāo)及相關(guān)的參數(shù)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不易確認(rèn)的輕元素位置，可以結(jié)合勢(shì)函數(shù)，從能量的角度輔助確認(rèn)。
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(duì)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(yù)測模塊：
Morphology（ 包含多種通用力場，預(yù)測晶粒形貌 ）

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

• Reflex
一個(gè)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(biāo)化
結(jié)構(gòu)精修
結(jié)晶度計(jì)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(biāo)的確認(rèn)
      • 支持多種實(shí)驗(yàn)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(shè)定，支持入射波波長、偏振的設(shè)定， 支持單色器設(shè)定
      • 可直接把數(shù)據(jù)導(dǎo)出為 CIF 文件
      • 支持 Perl 腳本^6.0

• Reflex Plus = Reflex + Powder Solve
Powder Solve 是一個(gè)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(xué)式、晶胞參數(shù)、空間群確認(rèn)的基礎(chǔ)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(shí)測衍射圖譜的差異(剩余方差因子)，對(duì)各種堆積方 式作出取舍。Powder Solve 為進(jìn)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(dòng)繼承 Pawley 修正得到的各種參數(shù)

      • 支持對(duì)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(gè)基于材料粉晶 X 射線、中子或者電子衍射圖譜進(jìn)行物相分析的工具。各個(gè)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(gè)單相的百分比含量。

  Reflex QPA 的主要功能： 
完整修正
修正相對(duì)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(jì)算各相的相對(duì)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(jì)算各相的相對(duì)含量
      • 可基于混合相衍射圖譜和單相衍射圖譜計(jì)算各相的相對(duì)含量
      • 支持內(nèi)標(biāo)法確認(rèn)各單相相對(duì)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(xué)、化工以及材料領(lǐng)域中的一種重要研究手段。它通過構(gòu)建材料的實(shí)驗(yàn)信息（ “性質(zhì)” ）和分子水平特征（ “描述符” ）之間的統(tǒng)計(jì)回歸模型，進(jìn)而預(yù)測未知材料的性質(zhì)。所涉及的體系包括分子晶體、無機(jī)晶體、分子篩、高聚物、表面活性劑等。QSAR 的應(yīng)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(píng)價(jià)
模型構(gòu)建
孤立點(diǎn)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(luò)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(jì)數(shù)
幾何參數(shù)
Jurs 描述符
結(jié)構(gòu)標(biāo)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(gè)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(jì)算過程的自動(dòng)化處理 ： 
      • 重復(fù)性計(jì)算任務(wù)的自動(dòng)化處理
      • 涉及多個(gè)模塊、多種任務(wù)的流程化計(jì)算過程的自動(dòng)化處理
能夠拓展 Materials Studio 的應(yīng)用 ：
      • 實(shí)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(yīng)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(gè)功能模塊。
Materials Studio 在硬盤上建立了獨(dú)立的文件夾保存腳本文件，并在 Visualizer 中增加了 User 菜單選項(xiàng)，通過這個(gè)選項(xiàng)可以打開 Script Library 窗口，實(shí)現(xiàn)腳本管理和調(diào)用的界面操作^6.0。
Materials Studio 在各個(gè)建模、計(jì)算以及分析窗口中，都添加了腳本生成按鈕，方便把相應(yīng)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(yīng)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，具備功能強(qiáng)大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(fèi)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(dòng)化數(shù)據(jù)的分析流程，而且還可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)級(jí)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(xiàng)，可以直接調(diào)用Pipeline Pilot 的相關(guān)計(jì)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(yù)測分析和自動(dòng)化工作流程提供完整的軟件解決方案。