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材料设计与计算机模拟MaterialsStudio模块简介彭平Materialdesigning&ComputersimulationIntroductionofMaterialsStudiosModuls引言：计算机越来越便宜，功能越来越强大。试验费用偏于越来越昂贵（时间和金钱）。如果计算机模拟能在某种程度上提供足够的进度，会比真实的试验节省费用。解释实验结果。Wien2k、Ganssian、VASP、MaterialStudioMaterialsStudio简介诞生背景美国Accelrys公司的前身为四家世界领先的科学软件公司美 国 Molecular Simulations Inc.(MSI)公 司、Genetics ComputerGroup(GCG)公司、英国Synopsys Scient ific系统公司以及OxfordMolecularGroup(OMG)公司，由这四家软件公司于2001年6月1日合并组建的Accelrys公司，是目前全球范围内唯一能够提供分子模拟、材料设计以及化学信息学和生物信息学全面解决方案和相关服务的软件供应商。Accelrys材料科学软件被广泛应用于石化、化工、制药、食品、石油、电子、汽车和航空航天等工业及教育研究部门，在上述领域中具有较大影响的世界各主要跨国公司及著名研究机构几乎都是Accelrys产品的用户。MaterialsStudio是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上的模拟软件。支持Windows98、2000、NT、Unix以及Linux等多种操作平台的MaterialsStudio使化学及材料科学的研究者们能更方便地建立三维结构模型，并对各种晶体、无定型以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究MaterialsStudio软件采用Client-Server结构。其核心模块Visualizer运行于客户端PC，支持的操作系统包括Windows98、2000、NT；计算模块（如Discover，Amorphous，Equilibria，DMol3，CASTEP等）运行于服务器端，支持的系统包括Windows2000、NT、SGIIRIX以及RedHatLinux。浮动许可（FloatingLicense）机制允许用户将计算作业提交到网络上的任何一台服务器上，并将结果返回到客户端进行分析。MaterialsStudio简介1.采用服务器/客户机模式的软件环境，Microsoft标准用户界面，不需要登录服务器。HttpGatewayFtpXP,2000,2003,Vista,2008MaterialsStudio的特点Materialsmodelingandsimulationhelpstounderstandandcontrolmaterialsstructure,properties,and processes.These phenomena aredetermined across a range of length and timescales,eachrequiringspecialistmodelingtechnologies.2.能够容易地创建并研究分子模型或材料结构，使用极好的制图能力来显示结果。MaterialsStudio的特点3.与其它标准PC软件整合的工具使得容易共享这些数据Origin,Matlab4.采用材料模拟中领先的十分有效并广泛应用的模拟方法（LDA,GGA）5.可模拟的内容：催化剂、聚合物、固体化学、结晶学、晶粉衍射以及材料特性等MaterialsStudio的特点MaterialsStudio的主要模块lMaterialsVisualizer提供了搭建分子、晶体及高分子材料结构模型所需要的所有工具。运用这些工具可以操作、观察及分析结构模型。lMaterialsVisualizer可以处理图表、表格或文本等形式的数据，并提供软件的基本环境和分析工具以支持MaterialsStudio的其他产品。lMarerialsVisualizer是MarerialsStudio产品系列的核心模块。l作为一个全面的模拟和显示系统MaterialsVisualizer也可单独使用。MaterialsStudio的主要模块lCASTEP(CAmbridgeSequentialTotalEnergyPackage的缩写）是由剑桥大学凝聚态理论研究组开发的一套先进的量子力学程序，可进行化学和材料科学方面的研究。基于总能量赝势方法CASTEP根据系统中原子的类型和数目，即可预测出包括晶格常数、几何结构、弹性常数、能带、态密度、电荷密度、波函数及光学性质在内的各种性质。lCASTEP被广泛应用于表面化学、物理和化学吸附、多多相催化、半导体缺陷、晶体间界、堆垛曾错、纳米技术、分子晶体、多晶型研究、扩散机理以及液体分子动力学等诸多领域。MaterialsStudio的主要模块lCASTEP使用的是总能平面波赝势方法，在材料的数学模型中，离子势被赝势（即指作用于系统价电子的有效势）所替代。电子波函数通过一平面波基组扩展，电子-电子相互作用中的交换和相互交换效应通过局域密度近似（LDA）或广义梯度近似（GGA）得以包括。结合赝势和平面波基组的应用，使对体系中所有原子上的作用力的计算变得极为容易，着使得对分子、固体、表面及界面的离子构型的有效优化称为可能。MaterialsStudio的主要模块lCASTEP典型的应用包括表面化学、键结构、态密度和光学性质等研究，CASTEP也可用于研究体系的电荷密度和波函数的3D形式。此外，CASTEP可用于有效研究点缺陷(空位，间隙和置换杂质)和扩展缺陷(如晶界和位错)的性质。MaterialsStudio的主要模块研究表面分子吸附的单包（左）研究点缺陷的单包（右）MaterialsStudio的主要模块CASTEP计算是要进行的三个任务中的一个，即单个点的能量计算，几何优化或分子动力学。可提供这些计算中的每一个以便产生特定的物理性能。性质为一种附加的任务，允许重新开始已完成的计算以便产生最初没有提出的额外性能。在CASTEP计算中有很多运行步骤，可分为如下几组：u1.结构定义：必须规定包含所感兴趣结构的周期性的3D模型文件，有大量方法规定一种结构：可使用构建晶体(BuildCrystal)或构建真空板(BuildVacuumStab)来构建，也可从已经存在的的结构文档中引入，还可修正已存在的结构。CASTEP仅能在3D周期模型文件基础上进行计算CASTEP计算所需时间随原子数平方的增加而增加。MaterialsStudio的主要模块u2.计算设置：合适的3D模型文件一旦确定，必须选择计算类型和相关参数，例如，对于动力学计算必须确定系综和参数，包括温度，时间步长和步数。选择运行计算的磁盘并开始CASTEP作业。u3.结果分析：计算完成后，相关于CASTEP作业的文档返回用户，在项目面板适当位置显示。这些文档的一些进一步处理要求获得可观察量如光学性质。MaterialsStudio的主要模块uCASTEP能量任务允许计算特定体系的总能量以及物理性质。u除了总能量之外，在计算之后还可报告作用于原子上的力；也能创建电荷密度文件；利用材料观测仪(MaterialVisualizer)允许目测电荷密度的立体分布；还能报告计算中使用的Monkhorst-Park的k点的电子能量，因此在CASTEP分析中可生成态密度图。u对于能够得到可靠结构信息的体系的电子性质的研究，能量任务是有用的。只要给定应力性质，也可用于计算没有内部自由度的高对称性体系的状态方程(即压力-体积，能量-体积关系)。的能量任务MaterialsStudio的主要模块uCASTEP几何优化任务允许改善结构的几何，获得稳定结构或多晶型物。通过一个迭代过程来完成这项任务，迭代过程中调整原子坐标和晶胞参数使结构的总能量最小化。uCASTEP几何优化是基于减小计算力和应力的数量级，直到小于规定的收敛误差。也可能给定外部应力张量来对拉应力，压应力和切应力等作用下的体系行为模型化。在这些情况下反复迭代内部应力张量直到与所施加的外部应力相等。几何优化任务的特点与功能MaterialsStudio的主要模块MaterialsStudio的主要模块系统要求CASTEP成功应用领域表面结构表面反应界面和异质结构的性质半导体中点缺陷的性质固态及表面的原子扩散压力下的相变分子筛化学CrystalstructuredeterminationfromconventionalX-raypowderdiffractiondataofpolycrystallinematerials应用实例1OptimizationofatomiccoordinatesbyDFTcalculationsusingDMol3orCASTEPJ.Chem.Phys.2000,113,7756-7764.2024/3/18 周一22ManipulationofCarbonNanotubesusingNitrogenImpurities应用实例2thechargedensityPhysicalReviewLetters,91,(2003)105502UnderstandingtheProperties(structural,mechanical,vibrational,andelectronic)ofCarbonandBoron-nitrideNanotubes应用实例3Phys.Rev.B,2003,67,245404Study of the Effect of Alloying on the Surface Reactivity ofCatalystsTheCASTEPsimulationsresultedinthefollowing:CO优先吸附在Pt表面的顶位Oxygen优先吸附在Cu3Pt(111)表面Cu原子间的空心位CO(orOa)在合金表面的吸附能比两种纯金属表面的吸附能低。合金表面上CO氧化的势垒比在纯金属表面低.表明Cu3Pt可能是比PtorCu更好的催化剂。应用实例4J.Chem.Phys.,2001,115(11),5272-5277lDMol3是一种独特的量子力学程序，以密度泛函（DFT）理论为基础，为用户研究化学、制药工业及材料科学中的课题提供了准确可靠的方法。DMol3可以对气态、溶液、表面和固态环境中的过程进行模拟，因此它可以解决化学、材料科学和固体物理领域中的各种问题。此外，DMol3还增加了一种新的过渡态搜索方法，LST/QST算法与共轭梯度方法结合使用。MaterialsStudio的主要模块lDMol3使用原子中心网格的数值函数作为其原子基，原子的基函数由解不同原子的DFT方程得到，并将其储存为一系列的三次样条函数。这种基组是十分精确的，刚精度的基组减少了重叠效应，于是体系可以得到准确的描述。基组的长尾表示了正确的电子分布，因而可以提高对分子极化描述的精度。l在DMol3中，电子密度依据以原子为中心的多极部分密度展开，这提供了一种简洁而精确的表示密度的方法，通过求解Possons方程，可以用电子密度的多极表示来估算库伦势，从而将库伦势计算这一本来非常耗时的步骤，被中心时能快速估算步骤取代，这一操作使计算所用的时间与体系的大小成线性正比。MaterialsStudio的主要模块l在DMol3中，包括两个独立的模块uDMol3MolecularuDMol3SolidState分别适用于分子和周期性结构MaterialsStudio的主要模块MaterialsStudio的主要模块的特点与功能MaterialsStudio的主要模块的特点与功能MaterialsStudio的主要模块的特点与功能MaterialsStudio的主要模块计算任务限制性或非限制性DFT计算几何结构和能量预测结合使用LST/QST与共轭梯度算法的过渡态搜索方法使用伴随特征向量的过渡态搜索方法使用全部或部分Hessians的频率计算使用MaterialsVisualizer对简正振动方式进行动画显示DMol3的应用DMol3可以广泛应用于研究均相催化、非均相催化、半导体、分子反应以及燃烧技术等各种各样的问题。应用实例包括研究化学气相沉积（CVD)过程、了解汽车尾气催化分解过程和解释聚合反应的机理，以及研究极限条件下的燃烧技术等。uHydrogenStorageForFuelCells-ADensityFunctionalTheoryStudyofHydrogenAdsorptiononAluminiumClusters应用实例1ElectrondensityofAl13HisomersPhys.Chem.Chem.Phys.,1999,1,13-21uUnderstanding the Nitrogen Dioxide Sensing Mechanism ofTinDioxideNanoribbons应用实例2Molecular model of a SnO2 nanoribbon,showing its exposedsurfacesandedges.NanoLetters,2003,3(8),102Activity of Lanthanum-based Catalysts at The Dow ChemicalCompany应用实例3J.Phys.Chem.B,2005,109,11634-1164.lDiscover是MaterialsStudio软件的计算引擎，它提供了多种强有力的原子模拟方法，可广泛地适用于各种分子和材料。这样的模拟可以帮助许多领域的研究，包括催化，分离，结晶和高分子科学。它解释分子结构和行为的关系，提供对分子相互作用的了解，预测液体、固体和气体的关键性质。MaterialsStudio的主要模块MaterialsStudio的主要模块特点MaterialsStudio的主要模块特点课程简介：培养学生材料设计的能力，其主要任务是培养学生掌握材料的设计方法；通过学习，具备在实际应用中正确设计材料的能力，通过实际演练，掌握MaterialStudio软件的主要模块及其各种参数的物理意义，使之能更快掌握其它的材料学计算软件。THEEND2024/3/18 周一43