Materials Studio

Materials Studio是美國Accelrys公司生產的新一代材料計算軟體。

基本介紹

• 中文名：無
• 外文名：Materials Studio
• 解釋：模擬軟體
• 生產商：美國Accelrys公司
• 用途：新一代材料計算軟體,

誕生背景

美國Accelrys公司的前身為四家世界領先的科學軟體公司――美國Molecular Simulations Inc.(MSI)公司、Genetics Computer Group(GCG)公司、英國Synopsys Scient ific系統公司以及Oxford Molecular Group(OMG)公司，由這四家軟體公司於2001年6月1日合併組建的Accelrys公司，是目前全球範圍內唯一能夠提供分子模擬、材料設計以及化學信息學和生物信息學全面解決方案和相關服務的軟體供應商。

Accelrys材料科學軟體產品提供了全面完善的模擬環境，可以幫助研究者構建、顯示和分析分子、固體及表面的結構模型，並研究、預測材料的相關性質。Accelrys的軟體是高度模組化的集成產品，用戶可以自由定製、購買自己的軟體系統，以滿足研究工作的不同需要。Accelrys軟體用於材料科學研究的主要產品包括運行於UNIX工作站系統上的Cerius2軟體，以及全新開發的基於PC平台的Materials Studio軟體。Accelrys材料科學軟體被廣泛套用於石化、化工、製藥、食品、石油、電子、汽車和航空航天等工業及教育研究部門，在上述領域中具有較大影響的世界各主要跨國公司及著名研究機構幾乎都是Accelrys產品的用戶。

軟體說明

Materials Studio是專門為材料科學領域研究者開發的一款可運行在PC上的模擬軟體。它可以幫助你解決當今化學、材料工業中的一系列重要問題。支持Windows 98、2000、NT、Unix以及Linux等多種操作平台的Materials Studio使化學及材料科學的研究者們能更方便地建立三維結構模型，並對各種晶體、無定型以及高分子材料的性質及相關過程進行深入的研究。

多種先進算法的綜合套用使Materials Studio成為一個強有力的模擬工具。無論構型最佳化、性質預測和X射線衍射分析，以及複雜的動力學模擬和量子力學計算，我們都可以通過一些簡單易學的操作來得到切實可靠的數據。

Materials Studio軟體採用靈活的Client-Server結構。其核心模組Visualizer運行於客戶端PC，支持的作業系統包括Windows 98、2000、NT；計算模組（如Discover，Amorphous，Equilibria，DMol3，CASTEP等）運行於伺服器端，支持的系統包括Windows2000、NT、SGIIRIX以及Red Hat Linux。浮動許可（Floating License）機制允許用戶將計算作業提交到網路上的任何一台伺服器上，並將結果返回到客戶端進行分析，從而最大限度地利用了網路資源。

任何一個研究者，無論是否是計算機方面的專家，都能充分享用Materials Studio軟體所帶來的先進技術。Materials Studio生成的結構、圖表及視頻片斷等數據可以及時地與其它PC軟體共享，方便與其他同事交流，並能使你的講演和報告更加引人入勝。

Materials Studio軟體能使任何研究者達到與世界一流研究部門相一致的材料模擬的能力。模擬的內容包括了催化劑、聚合物、固體及表面、晶體與衍射、化學反應等材料和化學研究領域的主要課題。

模組

Materials Studio採用了大家非常熟悉的Microsoft標準用戶界面，允許用戶通過各種控制臺直接對計算參數和計算結果進行設定和分析。目前，Materials Studio軟體包括如下功能模組：

Materials Visualizer:

提供了搭建分子、晶體及高分子材料結構模型所需要的所有工具，可以操作、觀察及分析結構模型，處理圖表、表格或文本等形式的數據，並提供軟體的基本環境和分析工具以及支持Materials Studio的其他產品。是Materials Studio產品系列的核心模組。

Discover:

Materials Studio的分子力學計算引擎。使用多種分子力學和動力學方法，以仔細推導的力場作為基礎，可準確地計算出最低能量構型、分子體系的結構和動力學軌跡等。

COMPASS:

支持對凝聚態材料進行原子水平模擬的功能強大的力場。是第一個由凝聚態性質以及孤立分子的各種從頭算和經驗數據等參數化並經驗證的從頭算力場。可以在很大的溫度、壓力範圍內精確地預測孤立體系或凝聚態體系中各種分子的結構、構象、振動以及熱物理性質。

Amorphous Cell:

允許對複雜的無定型系統建立有代表性的模型，並對主要性質進行預測。通過觀察系統結構和性質之間的關係，可以對分子的一些重要性質有更深入的了解，從而設計出更好的新化合物和新配方。可以研究的性質有：內聚能密度（CED）、狀態方程行為、鏈堆砌以及局部鏈運動等。

Reflex:

模擬晶體材料的X光、中子以及電子等多種粉末衍射圖譜。可以幫助確定晶體的結構，解析衍射數據並用於驗證計算和實驗結果。模擬的圖譜可以直接與實驗數據比較，並能根據結構的改變進行即時的更新。包括粉末衍射指標化及結構精修等工具。

Reflex Plus:

是對Reflex的完善和補充，在Reflex標準功能基礎上加入了已被廣泛驗證的Powder Solve技術。Reflex Plus提供了一套可以從高質量的粉末衍射數據確定晶體結構的完整工具。

Equilibria:

可計算烴類化合物單組分體系或多組分混合物的相圖，溶解度作為溫度、壓力和濃度的函式也可同時得到，還可計算單組分體系的virial係數。適用領域包括石油及天然氣加工過程（如凝析氣在高壓下的性質）、石油煉製（重烴相在高壓下的性質）、氣體處理、聚烯烴反應器（產物控制）、橡膠（作為溫度和濃度的函式的不同溶劑的溶解度）。

DMol3:

獨特的密度泛函（DFT）量子力學程式，是唯一的可以模擬氣相、溶液、表面及固體等過程及性質的商業化量子力學程式，套用於化學、材料、化工、固體物理等許多領域。可用於研究均相催化、多相催化、分子反應、分子結構等，也可預測溶解度、蒸氣壓、配分函式、熔解熱、混合熱等性質。

CASTEP:

先進的量子力學程式，廣泛套用於陶瓷、半導體、金屬等多種材料，可研究：晶體材料的性質（半導體、陶瓷、金屬、分子篩等）、表面和表面重構的性質、表面化學、電子結構（能帶及態密度）、晶體的光學性質、點缺陷性質（如空位、間隙或取代摻雜）、擴展缺陷（晶粒間界、位錯）、體系的三維電荷密度及波函式等。

比Cerius2更具有優點

Materials Studio軟體比Cerius2具有以下優點：

（1） Materials Studio是專門為材料科學領域研究者開發的一款可運行在PC上的模擬軟體。支持Windows 98、2000、NT、Unix以及Linux等多種操作平台。

（2） Materials Studio軟體採用靈活的Client-Server結構。其核心模組Visualizer運行於客戶端PC，支持的作業系統包括Windows 98、2000、NT；計算模組（如DiscoverAmorphous，Equilibria，DMol3，CASTEP等）運行於伺服器端，支持的系統包括Window

s 2000、NT、SGIIRIX以及Red Hat Linux。

（3） 投入成本低，易於推廣。浮動許可（Floating License）機制允許用戶將計算作業提交到網路上的任何一台伺服器上，並將結果返回到客戶端進行分析，從而最大限度地利用了網路資源，減少了硬體投資。

模組詳細介紹

基本環境

MS.Materials Visualizer

分子力學與分子動力學

MS.DISCOVER

MS.COMPASS

MS.Amorphous Cell

MS.Forcite

MS.Forcite Plus

MS.GULP

MS.Equilibria

MS.Sorption

晶體、結晶與X射線衍射

MS.Polymorph Predictor

MS.Morphology

MS.X-Cell

MS.Reflex

MS.Reflex Plus

MS.Reflex QPA

量子力學

MS.Dmol3

MS.CASTEP

MS.NMR CASTEP

MS.VAMP

高分子與介觀模擬

MS.Synthia

MS.Blends

MS.DPD

MS.MesoDyn

MS.MesoPro

定量結構-性質關係

MS.QSAR

MS.QSAR Plus

MS.Dmol3 Descriptor

基本環境

·MS Visualizer

提供了搭建分子、晶體、界面、表面及高分子材料結構模型所需的所有工具，可以操作、觀察及分析計算前後的結構模型，處理圖型、表格或文本等形式的數據，並提供軟體的基本環境和分析工具以支持Materials Studio的其它產品。是Materials Studio產品系列的核心模組。同時Materials Visualizer還支持多種輸入、輸出格式，並可將動態的軌跡檔案輸出成avi檔案加入到Office系列產品中。MS4.0版本增加了納米結構模建、分子疊合以及分子庫枚舉等功能。

分子力學與分子動力學

·MS.DISCOVER　Discover是Materials Studio的分子力學計算引擎。它使用了多種成熟的分子力學和分子動力學方法，這些方法被證明完全適應分子設計的需要。以多個經過仔細推導的力場為基礎，Discover可以準確地計算出最低能量構象，並可給出不同系綜下體系結構的動力學軌跡。Discover還為Amorphous Cell等產品提供了基礎計算方法。周期性邊界條件的引入使得它可以對固態體系進行研究，如晶體、非晶和溶劑化體系。另外，Discover還提供強大的分析工具，可以對模擬結果進行分析，從而得到各類結構參數、熱力學性質、力學性質、動力學量以及振動強度。

·MS.COMPASS

COMPASS是“Condensed-phase Optimized Molecular Potential for Atomisitic Simulation Study”的縮寫。它是一個支持對凝聚態材料進行原子水平模擬的功能強大的力場。它是第一個由凝聚態性質以及孤立分子的各種從頭算和經驗數據等參數化並驗證的從頭算力場。使用這個力場可以在很大的溫度、壓力範圍內精確地預測出孤立體系或凝聚態體系中各種分子的構象、振動及熱物理性質。在COMPASS力場地最新版本中，Accelrys加入了45個以上的無機氧化物材料以及混合體系（包括有機和無機材料的界面）的一些參數，使它的套用領域最終包含了大多數材料科學研究者趕興趣的有機和無機材料。你可以用它來研究諸如表面、共混等非常複雜的體系。COMPASS力場是通過Discover模組來調用的。

·MS.Amorphous Cell

Amorphous Cell允許你對複雜的無定型體系建立有代表性的模型，並對主要性質進行預測。通過觀察體系結構和性質的關係，可以對分子的一些重要性質有更深入的了解，從而設計出更好的新化合物和新配方。可以研究的性質有：內聚能密度(CED)、狀態方程行為、鏈堆砌以及局部鏈運動、末端距和迴旋半徑、X光或中子散射曲線、擴散係數、紅外光譜和偶極相關函式等。Amorphous Cell的特徵還包括提供：任意共混體系的建模方法（包括小分子與聚合物的任意混合）、特殊的產生有序的向列型中間相以及層狀無定型材料的能力（用於建立界面模型或適應粘合劑及潤滑劑研究需要）、限制性剪下模擬、研究電極化和絕緣體行為的Poling法、多溫循環模擬以及雜化的蒙特卡羅模擬。Amorphous Cell的使用需要Discover分子力學引擎的支持。

·MS.Forcite

先進的經典分子力學工具，可以對分子或周期性體系進行快速的能量計算及可靠的幾何最佳化。包含Universal、Dreiding 等被廣泛使用的力場及多種電荷分配算法。支持二維體系的能量計算。MS4.0版本中可以進行剛體最佳化，同時還加入了分析 Discover 所產生的.arc和.his 軌跡檔案的功能.

·MS.Forcite Plus

先進的經典力學模擬工具，能夠進行能量計算、幾何最佳化、動力學模擬。可對從簡單分子到二維表面到三維周期等範圍很廣的結構進行上述操作。一整套的分析工具可用來對諸如偶極相關等複雜性質進行分析。MS4.0版本中可以進行剛體最佳化，同時還加入了分析 Discover 所產生的.arc和.his軌跡檔案的功能。

·MS.GULP

GULP是一個基於分子力場的晶格模擬程式，可以進行幾何結構和過渡態的最佳化，離子極化率的預測，以及分子動力學計算。GULP既可以處理分子晶體，也可以計算離子性的材料。GULP可以計算的性質包括：氧化物的性質，點缺陷、摻雜和空隙，表面性質，離子遷移，分子篩和其他多孔材料的反應性和結構，陶瓷的性質，無序結構等，可套用於多相催化、燃料電池、核廢物處理、蒸氣電解、氣體感測器、汽車尾氣催化以及石油化工等諸多工業領域。

·MS.Equilibria

使用獨有的NERD力場來計算烴類化合物單組分體系或多組分混合物的氣液、液液相圖，溶解度作為溫度、壓力和濃度的函式也可同時得到，還可計算單組分體系的二階virial係數，臨界常數和共存曲線可以通過Ising Scaling分析得到。適用領域包括石油及天然氣加工過程（如凝析氣在高壓下的性質）、石油煉製（重烴相在高壓下的性質）、氣體處理、聚烯烴反應器（產物控制）、橡膠（作為溫度和濃度的函式的不同溶劑的溶解度）。最新的版本中可計算的體系增加了：主要的醇類、硫化物、硫醇、氫化硫和氮氣。

·MS. Sorption

使用 Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) 方法預測分子在微孔材料 (如分子篩) 中的吸附性質，可用於吸附等溫線、結合位、結合能、擴散途徑及分子選擇性的研究。

晶體、結晶與X射線衍射

·MS.Polymorph Predictor

Polymorph是一個算法集，目的是測定晶體的低能多晶型。此方法可以與實驗衍射數據相關聯或者僅僅使用材料的化學結構來實現此目的。 晶體的多晶型可能會導致不同的性質，因此判斷哪種晶型更加穩定或者接近穩定態勢非常重要的。在處理過程中微小的改變都會導致穩定性的大幅度變化。 Polymorph中的相似性挑選和聚類算法允許用戶將相似模型歸類，從而節省計算時間。

·MS.Morphology

從晶體的原子結構來模擬晶體形貌。可以預測晶體外形，研發特殊效果的摻雜成分，控制溶劑和雜質的效應。

·MS.X-Cell

已申請專利的X-Cell是一種全新、高效、綜合、易用的指標化算法，它使用消光決定（extinction-specific）的二分法方法對參數空間進行詳盡無遺的搜尋，最終給出可能的晶胞參數的完整清單。在許多情況下顯示出比DICVOL、TREOR 和 ITO更高的成功率。X-Cell可以很好的處理粉末衍射指標化中的許多難點，如樣品含有雜質相、峰位重疊、零點偏移、極端形狀的晶胞等。

·MS.Reflex

模擬晶體材料的X光、中子以及電子等多種粉末衍射圖譜。可以幫助確定晶體的結構，解析衍射數據並用於驗證計算和實驗結果。模擬的譜圖可以直接與實驗數據比較，並能根據結構的改變進行即時的更新。粉末衍射指標化算法包括：TREOR90, DICVOL91, ITO and X-cell。結構精修工具包括Rietveld精修和Pawley精修。。

·MS.Reflex Plus

在Reflex標準功能的基礎上加入已被廣泛驗證的Powder Solve技術，提供了一套可以從高質量的粉末衍射數據確定晶體結構的完整工具。包括粉末指標化、Pawley精修、解結構以及Rietveld精修。結構的全局搜尋過程可以選用Monte Carlo模擬退火和Monte Carlo並行回火兩種算法之一，求解過程中同時考慮到了優先取向的影響。

·MS. Reflex QPA

利用粉末衍射數據及Rietveld方法進行定量相分析的強大工具，可以通過多相樣品的粉末衍射圖判定不同組成成分相對比例的。用於化學品或醫藥工業中有機或無機材料組成成分的確定。

量子力學

·MS.DMol3

獨特的密度泛函（DFT）量子力學程式，是唯一可以模擬氣相、溶液、表面及固體等過程及性質的商業化量子力學程式，套用於化學、材料、化工、固體物理等許多領域。可用於研究均相催化、多相催化、半導體、分子反應等，也可預測諸如溶解度、蒸氣壓、配分函式、溶解熱、混合熱等性質。可計算能帶結構、態密度。基於內坐標的算法強健高效，支持並行計算。MS4.0版本中加入了更方便的自旋極化設定，可用於計算磁性體系。4.0版本起還可以進行動力學計算。

·MS.CASTEP

先進的量子力學程式，廣泛套用於陶瓷、半導體以及金屬等多種材料。可研究：晶體材料的性質（半導體、陶瓷、金屬、分子篩等）、表面和表面重構的性質、表面化學、電子結構（能帶及態密度、聲子譜）、晶體的光學性質、點缺陷性質（如空位、間隙或取代摻雜）、擴展缺陷（晶粒間界、位錯）、成分無序等。可顯示體系的三維電荷密度及波函式、模擬STM圖像、計算電荷差分密度。MS4.0版本中加入了更方便的自旋極化設定，可用於計算磁性體系。4.0版本起還可以計算固體材料的紅外光譜。

·MS.NMR CASTEP

通過第一原理DFT理論預測NMR化學位移和電場梯度張量。方法適於計算包括有機分子、陶瓷和半導體在內的眾多類型材料的分子、固體、表面的NMR位移。

·MS.VAMP

半經驗的分子軌道程式，適用於有機和無機的分子體系。可快速計算分子的多種物理和化學性質，其計算的速度和精度介於基於力場的分子力學方法和量子力學的第一原理方法。快速的VAMP程式可以為DFT程式提供了良好的初始結構以便進行精確的結構最佳化。經DFT最佳化好的結構可以用VAMP來計算各種性質和光譜。VAMP還可以向分子動力學模擬提供參數。MS4.0 版本引入了ZINDO哈密爾敦函式，可計算包含過渡金屬的有機金屬體系的紫外光譜。

高分子與介觀模擬

·MS.Synthia

可快速預測高分子諸多性質的定量結構-性質關係軟體包。對均聚物和無規共聚物可預測從遷移性質到力學性能的一系列性質。

·MS.Blends

Blends可用於預測溶劑和聚合物體系的可混合性，並且能夠很好地給出這些體系在製造過程中的穩定性。這種模擬技術能夠從二元混合物的化學結構預測出混合物的熱力學性質，生成相圖來確定穩定性區域。作為一個快速的篩選工具，Blends可以在縮減試驗次數的同時開發出穩定的產品配方。

·MS.DPD

耗散粒子動力學（Dissipative particle dynamics，DPD）是對包括全部流體動力學相互作用流體粒子體系進行模擬的動力學程式。勢能的粗粒化處理方法使對較大時間和空間尺度體系的模擬成為可能。DPD採用周期邊界條件使對無窮大體系的模擬更加有效。可以使用平面牆來研究體系受限所帶來的影響，而Lees-Edwards周期邊界可以用來模擬體系的剪應力過程。同時可以得到界面張力和臨界膠束濃度等，也可以通過可視化界面或者數值結果來進行分析。

·MS.MesoDyn

MesoDyn是一個介等尺度動力學方法，用於研究跨越長時間過程的大體系。此方法使用源自化學組分梯度和朗文噪音的組分密度場方法。體系的微相分離、膠束和自組裝過程都可以使用MesoDyn程式進行研究。在固定幾何結構的剪應力和受限影響都可以進行研究。 MesoDyn的套用包括：塗料，化妝品，混合聚合材料，表面溶劑，複雜藥物傳輸以及其它領域。

·MS.MesoPro

MesoProp是一個預測具有多組分納米結構的材料的巨觀性質的新工具，可以對聚合物、表面活性劑和連續相進行研究，從而套用於表面塗層、粘合劑、密封劑、人造橡膠、水泥、複合材料、凝膠和層壓板材料等的開發工作。作為一個可以將純組分和複雜混合物的性質聯繫起來的研究工具，MesoProp可套用於與嵌段共聚物、聚合物表面活性劑、納米結構聚合物混合物以及膜界面上的物理作用等相關的配方設計和模擬研究。

定量結構-性質關係

·MS.QSAR

QSAR模組是一個全面的工具集，用於在實驗信息（“活性”）和分子水平特徵（“描述符”）之間產生統計回歸模型。可以使用Materials Studio程式來計算分子的描述符，並在性質和描述符之間建立連線關係。這個數學模型可以用於對未知材料活性的預測。也可以包括那些處理條件和配方數據的描述符。模組的附加功能允許用戶研究訓練集的描述符和活性之間的差異性和相關性。 QSAR的描述符包含的範圍很廣。它可以使用Materials Studio其他模組的描述符，包括Forcite、VAMP和FAST描述符。這些描述符使得材料的各種性質得以精確模擬。除了基本的回歸算法，還可以通過靈活的遺傳算法（GA）。此方法是一個用於找出多元回歸最小化的理想方法，在處理大數據集的時候有著很高的價值。此方法使用“適者生存”的理論來進行工作：那些對活性有影響的描述符可以進入到下一代中，而沒有影響的則消亡。保留下來的正交描述符會產生更高精確度的模型。

· MS. QSAR Plus

在MS QSAR功能的基礎上增加量化描述符以及神經網路算法。

·MS.DMol3 Descriptor

使用量子力學模組DMol3計算得到的分子和周期體系的描述符，進一步擴展了QSAR的研究範圍。這些與反應性相關的描述符包括原子的Fukui函式描述符，用來描述單個原子親電性、親核性以及對自由基反應的敏感程度；周期體系描述符包括晶格能和態密度描述符，能夠很好地表征晶體的相關性質。