计算机材料设计Materials-Studio教程（基础版）——初识Materials-Studio

写在前面：

最近由于各种原因，需要系统学习一下Materials-Studio这个软件，我在学习此软件的过程中，也总结搜集了一些资料，在这这里想给大家分享一下，在总结分享的时候也算是对自己的一个鞭策。希望我的分享能够帮助大家更了解Materials-Studio，在后续使用中能够更快的上手，如果文中有任何不当或者错误内容，欢迎大家指出~

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一、什么是Materials-Studio

Materials Studio是美国Accelrys公司生产的新一代材料计算软件。

在近20年的发展历程中，Materials Studio获得了来自全球多个科研机构的技术支持，历经23个版本的更新和升级，现已融合多种时、空间尺度的模拟方法，形成了一个包含16个工具包、22个功能模块，可实现从微观电子结构到宏观性能预测的跨尺度科学研究平台，是目前分子模拟领域中相对精确、稳定、高效的产品，在化工、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有着非常广泛的应用。

二、软件特点

1、多平台支持：Materials Studio支持Windows 98、2000、NT、Unix以及Linux等多种操作系统，使得不同平台的用户都能使用该软件进行研究。

2、可视化操作：Materials Studio采用了Microsoft标准用户界面，用户可以通过各种控制面板直接对计算参数和计算结果进行设置和分析。同时，它提供了3D Viewer等可视化工具，使用户能够直观地观察和分析分子、晶体及高分子材料的三维结构模型。

3、高度模块化：Materials Studio是一个高度模块化的集成产品，包括Materials Visualizer、Forcite（MD）、DMol3等多个功能模块，用户可以根据研究需求自由定制和购买相应的模块。

4、多尺度模拟：Materials Studio提供了从原子到宏观尺度的多尺度模拟能力，能够模拟气相、溶液、表面及固体等过程及性质，广泛应用于化学、材料、化工、固体物理等领域。

三、软件的主要功能

1、分子建模：Materials Studio提供了丰富的分子建模工具，用户可以轻松地构建各种分子、晶体及高分子材料的三维结构模型。

2、能量最小化：通过几何优化等功能，Materials Studio能够找到分子的最低能量构型，从而预测材料的稳定性。

3、分子动力学模拟：使用Forcite等模块，Materials Studio能够进行分子动力学模拟，研究分子在不同条件下的运动规律和相互作用。

4、量子力学计算：DMol3等模块提供了量子力学计算能力，能够模拟分子的电子结构、反应机理等性质，为催化剂开发、材料设计等领域提供有力支持。

四、Materials Studio包含哪些模块

Materials Studio材料模拟软件以可视化视窗界面为核心，主要包括量子力学模块、经典分子力学、动力学模块、介观动力学模块、蒙特卡洛方法模块、定量构效关系模块以及晶体形貌、结构预测模块。

1、可视化视窗界面

Materials Studio的图形化界面，支持各种材料微观结构模型的搭建和计算结果可视化分析。

2、量子力学模块

以定态薛定谔方程为核心，计算原子核满足特定排列时，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、热力学性质以及力学性质，精度高且几乎不依赖于任何经验参数，被广泛应用在各类材料的模拟研究中。

3、经典分子力学、动力学模块

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，能够计算包含数千至数十万原子模型的相关性质，计算精度取决于势函数及参数的适用性。

4、介观动力学模块

“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。将通常模型中的若干个原子视为一个“珠子”，由珠子构成的结构模型称为“粗粒化模型”。介观模块采用各种势函数描述珠子间的相互作用，并研究珠子的分布、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。

5、蒙特卡洛方法模块

蒙特卡洛方法结合分子力场（势函数），在Materials Studio中被用来构建聚合物、溶液等无序结构模型，研究多孔材料、固体表面的气体分子吸附，搜索分子最优构象以及晶体结构。

五、Q&A

Q1.Materials Studio在高分子及其复合材料研究领域能做哪些方面的模拟工作？

Materials Studio中基于力场（势函数）的分子力学、动力学以及蒙特卡洛模块，包括介观动力学模块，可用于高效的搜索高分子的稳定构象，构建和表征高分子晶态或非晶态的结构和预测性质。

（1）树脂如交联环氧树脂的配方设计和力学性能研究，热固性聚合物在玻璃态和橡胶态的结构与机械性能之间的关系

（2）高分子材料的内聚能密度、玻璃化转变温度及共混行为及相分离形貌

（3）阻隔包装材料中小分子的渗透扩散研究

（4）复合材料的界面处的分布形态(密度场)及复合材料的杨氏模量、泊松比、热导率、透气率等宏观性质。

Q2.Materials Studio在纳米材料研究领域能做哪些方面的模拟工作？

Materials Studio软件平台中的量子力学方法和分子力学和动力学方法结合，可以研究纳米材料的微观结构及光、电、磁、力学及热力学相关的物理性质，化学反应活性以及自组装、外延生长机制进行研究。

（1）纳米材料如碳纳米管、石墨烯、硅纳米棒的电子结构的剪裁和控制

（2）纳米材料的催化反应机理研究和化学反应过程的研究

（3）纳米管机械性能，如在压缩、弯曲、拉伸载荷下的屈服模拟

（4）纳米材料电子输运性能

Q3.Materials Studio在非金属领域能做哪些方面的模拟工作？

（1）搭建半导体晶体、缺陷、表界面、纳米材料颗粒结构

（2）半导体如钛酸钡、氧化钛、氧化锌、等过渡金属元素氧化物材料的掺杂缺陷结构的缺陷态、缺陷形成能、电子结构

（3）稀土发光材料等光学材料的光学性质及发光机理研究

（4）电池材料如锂电池的设计，筛选可提高电池性能的掺杂元素；离子在电池中的扩散和迁移能垒

（5）新型多孔材料的结构设计和确认；气体分离；吸附等温线

（6）新型碳材料结构设计及性质研究

（7）硬材料如氧化硅、氧化铝、碳化硅、氮化硼的力学性质、电子结构、相变、相变路径、相变机制研究

（8）磁性材料如铁氧体的磁学性质研究

Q4.Materials Studio在金属领域能做哪些方面的模拟工作？

（1）搭建纯金属、合金、掺杂模型、位错、层错、孪晶、金属纳米颗粒结构

（2）合金配方设计和结构性质研究如：力学性质研究包括体弹性模量、杨氏模量泊松比；拉伸模拟研究得到抗拉强度；塑性变形（层错和孪晶）；热力学性质；扩散迁移

（3）金属体系常压、高压结构的解析和预测；相变

（4）非晶合金，金属玻璃等非晶固体的形成机制；金属液体的结构与性质

（5）金属的腐蚀与防护

（6）金属（包括碱金属）体材料和薄膜材料的磁性研究；结构无序对磁性的影响

（7）金属纳米颗粒催化反应

Q5.材料基因组项目中分子模拟能做什么？

科学家想通过Materials Genome Initiative（MGI）项目，找出元素间的相互作用对材料的种类和性质带来的广泛影响，以这些知识为基础，希望以更短的周期为不同应用“定制”相应材料。

已经促成的来自麻省理工学院的以研究电池为主的Materials Project项目和哈佛的以清洁能源为主的Clean Energy Project计划。二者均利用密度泛函理论（Density Functional Theory）收集巨型数据库来预测模拟物质的实际属性。