1、Materials Studio的模块 Materials Studio是一个全尺度材料模拟平台。平台以可视化视窗界面Materials visualizer为核心，在其上共整合了24个功能模块，囊括了量子力学方法、经典模拟方法、介观模拟方法、有限元模拟等各种常见分子模拟方法，以及晶体结构解析、晶体形貌预测、定量构效关系分析等实用工具，实现了从电子结构解析到宏观性能预测的跨尺度研究。 Materials visualizer Materials visualizer是Materials Studio的图形化界面，也是整个平台的核心。 Materials visualizer的功能包括： z 搭
2、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、表界面以及各种缺陷结构； z 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； z 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； Materials visualizer的特性包括： z 支持多种结构、图形、文本文件格式的输入和输出； z 支持不同功能模块间结构数据的共享； z 提供Perl语言环境，以及脚本编译工具； z 提供不规则多面体表面积、体积的计算工具。 量子力学方法
3、 量子力学方法（Quantum Mechanics） 是一种能够对材料体系电子结构特点进行解析的方法，精度高且几乎不依赖于任何经验参数，因此被广泛应用在各类材料的模拟研究中。 半经验量子力学方法（Semi-empirical Quantum Mechanics）同样能够对材料体系电子结构特点进行解析，但是包含有更多的经验参数以及数学、物理近似，因此，计算效率相比于纯粹的量子力学更高，但是精度会略低。 量子力学以及半经验量子力学方法均以定态薛定谔方程为核心，计算原子核满足特定排列、堆积时，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、力学性质，所能研究
4、的材料体系类型包括：各类晶体材料及可能的各种缺陷结构，各种维度的纳米材料，各种分子及团簇材料。 量子力学方法最多能够计算数百原子模型的相关性质，而半经验量子力学方法能够计算数千原子的模型。 Materials Studio中的量子力学模块： CASTEP（平面波赝势方法）；DMol3（原子轨道线性组合方法）；QMERA（量子力学/分子力学杂化方法）；ONETEP（线性标度方法） Materials Studio中的半经验量子力学模块：DFTB+（紧束缚近似方法）；VA M P（原子轨道线性组合方法） CASTEP CASTEP(Cambridge Sequential Total Energy
5、 Package)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状态，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。所涉及的研究对象主要有半导体、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。 CASTEP的主要功能 能量计算 吸附热，缺陷形成能，内聚能，表面能等 结构优化 优化原子坐标和晶胞参数，支持原子分数坐标、晶胞参数、键长、键角、二面
6、角限定，支持外加应力 过渡态 过渡态搜索（Synchronous Transit方法） 电子结构解析 能带结构，电子态密度（局域态密度、分波态密度），电荷密度，差分电荷密度，电子局域函数4.4，电子轨道，扫描隧道显微镜(STM)图像模拟，共价键级，静电荷（Mulliken、Hirshfeld），静电势，功函数4.4，自旋磁矩，费米面5.5介电性质 波恩有效电荷，静态介电常数张量，极化率张量 力学性质计算 弹性力常数张量，体模量，剪切模量，杨氏模量，泊松比 热力学性质计算 声子态密度、色散谱（linear response的方法扩展至金属体系6.0）；熵，焓，自由能，零点能，德拜温度，等容热容随
7、温度的变化曲线 光学性质计算 红外光谱，拉曼光谱5.0（计算指定频率范围的拉曼活性模强度6.1），核磁共振谱a（化学位移、电场梯度张量），电子能量损失谱4.4（旋轨耦合效应5.5），X射线吸收（发射）谱4.4（旋轨耦合效应5.5），光频介电常数虚（实）部，吸收系数，折射率，光导率虚（实）部，能量损失函数 动力学计算b支持NVE，NVT，NPT以及NPH等系综，以及多种控温控压函数 a需要CASTEP NMR模块的支持；b结果分析采用Forcite plus的分析工具，具体内容参考Forcite plus介绍（页码） CASTEP的主要特性 z 范德瓦尔斯相互作用修正5.5（增加适用元素类型6.
8、0） z 表面模型计算所需的偶极修正6.1z Hubbard U 修正（可用于结构优化5.5，可用于声子计算6.0） z 自带赝势生成程序 z 自动、手动选择最有效的并行方式 z 多种自洽收敛算法：Density mixing和EDFT z 混合交换关联函数：sX-LDA、HF-LDA、PBE04.4、B3LYP4.4、HSE03和066.1z 支持Perl脚本5.0z 支持断点续算 z 自动选择最佳的CPU数目5.5DMol3 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
9、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。除了可以预测材料的电子学、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。 DMol3的主要功能 能量计算 吸附热，生成焓，结合能，反应热，表面能等 结构优化 优化原子坐标和
10、晶胞参数，支持原子笛卡尔坐标（可限定某个方向坐标）、键长、键角、二面角限定 过渡态 过渡态搜索（Synchronous Transit方法），过渡态优化，过渡态的确认 电子结构解析 能带结构，电子态密度（局域态密度、分波态密度），电荷密度，差分电荷密度，电子轨道，Fukui 函数（支持周期性体系5.5），共价键级（非周期性体系），静电荷（Mulliken、Hirshfeld、ESP），静电势，功函数4.4，偶极矩核电场梯度，费米面5.5，自旋磁矩 热力学性质计算 熵，焓，自由能，零点能，等压热容随温度的变化曲线 光学性质计算 红外光谱，拉曼光谱6.0（计算非周期性体系时给出强度），紫外可见光谱
11、5.5（计算非周期性体系时给出强度），非线性光学性质5.5（非周期性体系）【频率依赖线性极化率、次谐波振荡 (SHG)、光整流效应 (OR)、普克尔斯电光效应(EOPE)、三次谐波振荡 (THG)、直流电诱导二次谐波振荡(dc-SHG)、强度依赖折射率 (IDRI) 、克尔电光效应(EOKE)】 动力学计算a支持NVE和NVT，以及多种控温函数 a 结果分析采用Forcite plus的分析工具，具体内容参考Forcite plus介绍（页码） DMol3的主要特性 z 范德瓦尔斯相互作用修正5.5（增加适用元素类型6.0） z 表面模型计算所需的偶极修正6.0z 基组重叠误差（BSSE）修正
12、6.0（非周期性体系）z 支持COSMO以及COSMO-RS (COnductor like Screening MOdel for Realistic Solvents)溶剂化模型，可用于计算蒸汽压、分压系数以及水化自由能 z 混合交换关联函数B3LYP6.0z 支持Perl脚本 z 支持含时密度泛函（TD-DFT）理论 z 高精度数值轨道基组：TNP4.4、DNP+6.1z 支持全电子计算，可考虑相对论效应 z 频率计算支持粗粒化的并行计算方式5.0z 允许外加电场 z 支持周期性以及非周期性边界条件 z 支持断点续算 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
13、性有机结合的程序，也被称为量子力学(QM)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DMol3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。QMERA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
14、研究中相比于传统量化方法更具优势。 QMERA的主要功能 能量计算 吸附热等 结构优化 优化原子坐标，支持原子笛卡尔坐标、键长、键角、二面角限定 过渡态 过渡态搜索5.5（Nudged Elastic Band方法），过渡态优化5.5电子结构解析 电荷密度，差分电荷密度，电子轨道，Fukui 函数，共价键级，静电荷（Mulliken、Hirshfeld、ESP），静电势，偶极矩，核电场梯度，自旋磁矩 光学性质计算 振动光谱（简正模频率），紫外可见光谱6.0动力学计算6.0, * 支持NVE和NVT，以及多种控温函数 *结果分析采用Forcite plus的分析工具，具体内容参考Forcite
15、plus介绍（页码） QMERA的主要特性 z 范德瓦尔斯相互作用修正5.5z 支持周期性（整个体系5.0以及量子力学区域5.5）以及非周期性边界条件 z 支持部分原子振动频率计算（Partial Hessian）z 混合交换关联函数B3LYP6.0z 支持Universal和Dreiding力场，支持力场的拟合和编辑az 支持加法（Additional）和减法（Subtractive）两种方式计算体系能量 z 支持Mechanical和Electronic两种耦合方式，后者可以考虑分子力学区域对量子力学区域的极化作用 z 包含更多专用力场*，譬如专门用于硅铝多孔材料的Sauer力场5.5z
16、量化区域边界的悬键采用H原子饱和 *详见GULP模块的介绍（页码？） ONETEP ONETEP（Order-N Electronic Total Energy Package）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
17、及半导体、陶瓷材料缺陷等。 ONETEP的主要功能 能量计算 吸附热，缺陷形成能，内聚能，表面能等 结构优化 优化原子坐标，支持原子笛卡尔坐标限定 过渡态 过渡态搜索（Synchronous Transit方法） 电子结构解析 电子态密度，电荷密度，电子轨道，共价键级，静电荷（Mulliken），静电势，自旋磁矩 ONETEP的主要特性 z Hubbard U 修正6.0z 范德瓦尔斯相互作用修正6.0z 支持外加电场6.0z 支持多种交换关联函数：BLYP和XLYP6.0DFTB+ DFTB+ (Density Functional based Tight Binding Plus)是一款融
18、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。所涉及的研究对象主要有有机分子、团簇、绝缘体、半导体、金属甚至是生物体系等各类非周期性和周期性材料体系。 DFTB+的主要功能 能量计算 吸附热，表面能等 结构优化 优化原子坐标和晶胞参数，支持原子分数坐标
19、、笛卡尔坐标、晶胞参数的限定，支持外加应力（等静压） 动力学计算a支持NVE，NVT，NPT以及NPH等系综，以及多种控温控压函数 参数化工具 基于DMol3的PWC和PBE泛函进行参数化；提供方便的参数化界面和工具；允许在已有的Slater-Koster参数库中添加新的元素和参数6.1电子结构解析 能带结构，电子态密度（局域态密度、分波态密度），电荷密度，差分电荷密度，电子轨道，静电荷（Mulliken、），费米面 a 结果分析采用Forcite plus的分析工具，具体内容参考Forcite plus介绍（页码） DFTB+的主要特性 z 包含多种已知参数库6.1：CH、CHNO、SiGe
20、H、mio、pbc、hyb、chalc、trans3d、tiorg、znorg、borg、matsic z 范德瓦尔斯相互作用修正 z 支持Perl脚本 z 支持电荷自洽（Self-Consistent Charge）计算，以及多种自洽算法 z 支持周期性以及非周期性边界条件 VA M P 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（Neglect of Diatomic Differential Overlap）和ZINDO（Zerner
21、s Intermediate Neglect of Differential Overlap），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。VA M P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。 VAMP的主要功能 能量计算 生成焓，结合能，反应热，吸附热等；结构优化 结构优化 优化原子坐标 过渡态 过渡态搜索（McIver-Kormonicki），过渡态优化 电子结构解析 电
22、荷密度，原子、分子极化率以及极化张量，分子轨道，定域轨道，静电荷（Coulson、Mulliken和ESP），共价键级，静电势 光学性质 红外光谱，拉曼光谱，紫外可见光谱，13C化学位移，电子自旋共振谱（ESR）中H超精细耦合常数 热力学性质 生成热，零点振动能，熵、焓、热容随温度的变化曲线 VAMP的主要特性 z 支持COSMO和SCRF （Self-Consistent Reaction Field）两种溶剂化模型 z 支持用于激发态研究的CI （Configuration Interaction ）方法 z 支持Perl脚本5.5z 仅支持非周期性边界条件 z 支持NAO-PC（Natu
23、ral Atomic Orbital-Point Charge）模型进行分子静电性能的计算 经典模拟方法 经典模拟方法无法准确描述体系的电子结构，它以各类力场（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，能够计算数千至数万原子模型的相关性质，而计算精度则取决于势函数及参数的适用性。 经典模拟方法被仅用于描述体系某个状态的各类性质时，称为分子力学方法（Molecular Mechanics）；当与牛顿运动方程相结合，描述原子核在特定热力学条件下的运动时，称为分子动力学方法（Molecular Dynamics）
24、。分子的可混性、内聚能、润湿性、力学性质、扩散及阻隔、表面及孔道吸附、各种相关函数以及性质的统计平均值均可基于分子力学、动力学结果获得。当然，也可以把这种描述微观粒子间相互作用的方法与蒙特卡洛（Monte Carlo）方法相结合，构建无定形模型、研究分子的构象或者搜寻可能的吸附位点。 Materials Studio中包含多种力场，并允许使用者根据需要调整函数形式、编辑或拟合相关参数，所能够研究的材料体系类型包括：聚合物、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，粘土矿物等。 Materials Studio中的分子力学、动力学模块：COMP
25、ASS （一个高精度力场）；Forcite Plus（包含各种通用力场）；GULP（包含各种针对无机体系的专用力场） Materials Studio中涉及蒙特卡洛方法的模块：Amorphous Cell（无定形模型搭建）；Adsorption Locator（吸附位、吸附构象)；Blends（混合体系相容性）；Conformers（聚合物构象）；Sorption（吸附位、吸附等温线）；Equillibria（相图模拟） Materials Studio中的定量结构-性能关系模块：Synthia COMPASS COMPASS（Condensed-phase Optimized Molecul
26、ar Potential for Atomistic Simulation Study）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。 COMPASS的主要特性 z 参数均基于高精度的量子力学计算，并优化以实现和实验数据的良好一致性 z 可准确预测的性质包括：分子结构，振动频率，偶极矩，液相结构，晶体结构，晶格能，弹性力常数等；基于动力学模拟
27、，可以准确预测内聚能密度，体系状态方程 z 可以在Amophous Cell、Forcite Plus、Blends、Conformers、Sorption以及Adsorption Locator模块中使用 z 可研究的体系涵盖了所有常见的无机、有机小分子，高分子，部分金属（Al, Na, Pt, Pd, Au, Ag, Sn, K, Li, Mo, Fe, W, Ni, Cr, Cu, Pb, Mg），金属氧化物（Li2O, Na2O, K2O, MgO, CaO, SrO, BaO, TiO2, Fe2O3, Al2O3, SnO2, SiO2）以及卤化物Li+, Na+, K+, Rb+
28、, Cs+, Mg2+, Ca2+, Fe2+, Cu2+, Zn2+, F-, Cl-, Br-, I-)，沸石（SiO2, AlO2） Forcite Plus 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、几何优化以及各种热力学条件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。 Forcite Plus的主要功能 能量计算 吸附热，表面能等 结
29、构优化 优化原子坐标和晶胞参数，支持原子笛卡尔坐标和晶胞参数的限定，可以添加外应力（等静压） 模拟淬火 将动力学模拟和结构优化相结合，辅助扫描势能面，寻找最优的分子构象、吸附构象等 模拟退火 基于不同温度点的动力学模拟，实现体系的反复升、降温过程，辅助扫描势能面，寻找最优的分子构象、吸附构象等 动力学计算a基于牛顿运动方程，研究原子核在特定系综（NVE、NVT、NPT、NPH）条件下的运动，可分析得到如下性质： z 与结构相关的性质 键长、键角、扭转角时间分布曲线6.1，浓度分布曲线，密度场5.5，径向分布函数（配位数），回转半径的几率分布（可用于描述聚合物尺寸），中子或X射线散射，空间取向相
30、关函数 z 动力学相关性质 体系沿一定方向的平均速度、温度分布曲线，均方根位移（扩散系数相关） ，偶极自相关函数（红外光谱），应力自相关函数（剪切、体粘度） ，系综涨落性质（不同系综下得到不同热力学性质），距离指向的转动相关函数（一阶与介电弛豫有关，二阶与NMR的偶极弛豫有关）， 位移时间相关函数，速度自相关函数（扩散系数相关） z 统计学相关性质 哈密顿量随模拟时间的变化，动能、势能及组成随时间变化曲线，压力、温度分布曲线，晶格参数、密度分布曲线 z 其它 采用Study Tableb列出轨迹详细数据 剪切模拟6.0基于非平衡动力学，做剪切模拟，控制剪切方向和速度，得到剪切粘度、应力张量限制
31、剪切模拟5.5做流体在两个平板间的剪切模拟，得到垂直于剪切方向上的速度、温度分布，以及温度和壁压力随时间的变化 力学性质计算 基于动力学轨迹文件c计算体系力学性质：弹性力常数、体模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比、声速、拉梅常数 内聚能密度 基于动力学轨迹文件计算体系内聚能密度，溶解度因子 a CASTEP、DMol3、QMERA、DFTB+、GULP的动力学结果均采用Forcite Plus的分析工具进行分析；bMaterials Studio支持的一种特殊的表格文件，可在表格中直接保存三维结构数据；c Materials Studio动力学模拟的结果文件 Forcite Plus的主要特性
32、z 支持Perl脚本扩展模拟和分析功能，譬如非平衡动力学方法计算热导率，控制轨迹文件的输出z 支持Universal、COMPASS、Dreiding、pcff、cvff力场 z 允许编辑Dreiding、pcff6.0、cvff6.0力场，并提供新的函数形式自定义新力场 z 支持多种非键相互作用的处理方式，包括Ewaldz 支持并行计算5.0z 支持多种结构优化方法；具有根据优化阶段自动调整所选方法的Smart工具 z 支持多种控温函数：Velocity Scale、Nose、Andersen、Berendsen和NHL6.0z 支持多种控压函数：Andersen、Berendsen和Par
33、rinello6.0z 支持外加电场5.5z 支持通过软性约束研究大分子扩散5.5GULP GULP（General Utility Lattice Program）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各种性质进行计算、解释和预测。GULP具有多种针对性较强的力场，譬如支持壳层模型的Bush、Lewis力场，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等针对碳材料的力场，以及可用于研究贵金属催化的反应力场ReaxFF。不仅如此，GU
34、LP提供了拟合和编辑力场的工具，可结合量子力学的计算结果或者实验数据，拟合针对性更强的力场，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。 GULP的主要功能 能量计算 吸附热，表面能，附着能，内聚能等 结构优化 可以优化原子坐标和晶胞参数，支持原子分数坐标和笛卡尔坐标的限定，可加外应力（等静压） 力学性质 弹性常数、体模量、杨氏模量、剪切模量、泊松比 介电、压电性能 压电常数，波恩有效电荷，静态介电常数，光频介电常数张量，介电常数张量随外加电场频率的变化 热力学性质 声子态密度、色
35、散谱5.0（考虑LO-TO劈裂），零点振动能、熵、等容热容、亥姆霍兹自由能随温度的变化 光学性质 红外、拉曼光谱、反射率、折射因子、吸收系数、电场梯度张量（NMR） 动力学计算* 支持NVE，NVT，NPT以及NPH6.0等系综，以及多种控温控压函数 表面计算 支持表面能、附着能的计算 力场拟合与编辑 选择不同类型的势函数，并拟合参数，组合得到新的力场 *结果分析采用Forcite plus的分析工具，具体内容参考Forcite plus介绍（页码） GULP的主要特性 z 支持外加电场5.5z 参数依据晶格能、力学性质、介电常数、折射率、压电常数、振动频率、静电势以及晶体结构进行拟合 z 具
36、有多种二体势、三体势、四体势、多体势以及嵌入势函数形式 z 支持COSMO溶剂化模型5.5z 支持通过关键词拓展功能 z 新的积分方法Stochastic6.0z 支持反应力场ReaxFF5.5, 6.0z 支持二维结构的声子计算 Amorphous Cell Amorphous Cell模块是一个以力场为基础，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、小分子溶液模型、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。 Amorphous Cell的主要功能
37、 模型构建 按照设定的组分、摩尔比构建无定形模型 填充堆积5.0在已有结构的空隙中按照设定的比例填充指定的分子、原子，并可对空隙进行限定Amorphous Cell的主要特性 z 基于蒙特卡洛的方法 z 支持设定体系密度及其变化范围，增加搭建复杂模型的成功率 z 支持无定形模型的三维调整（立方、四方、正交盒子） z 支持扭转角的调整，可以区分主链和支链结构中的扭转角，选择性调整 z 可自动排除原子间距太小或者化学键穿过环状结构等堆积中的不合理因素 z 可同时输出多种可能结构 z 可自动完成输出结果的结构优化 z 支持Universal、COMPASS、Dreiding、pcff、cvff力场，
38、支持自定义力场5.0z 所有力场均可以根据成键情况，自动指派原子的具体参数 z 支持多种非键相互作用的处理方式，包括Ewaldz 支持Perl脚本，可以并行计算5.0Adsorption Locator 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。其中，吸附质通常为气体分子或液体，基
39、底可以是多孔晶体、无定形材料或表面结构材料。 Adsorption Locator的主要功能 模拟退火方法搜索最低能量吸附构象 主要模拟结果吸附质在基底上最稳定吸附位置，吸附能和相互作用能 Adsorption Locator的主要特性 z 周期性或者非周期性基底材料 z 可指定吸附区域 z 支持多种非键相互作用的处理方式，包括Ewaldz 正则系综(NVT)模拟 z 支持Universal、COMPASS、 Dreiding、 pcff、cvff力场，支持自定义力场5.0z 支持perl脚本编程处理6.0Blends Blends是一款以力场为基础，采用扩展的Flory-Huggins模型估
40、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。 Blends的主要功能 可计算结合能、混合能、配位数、参数、自由能、二元混合物相图 Blends的主要特性 z 支持Universal、COMPASS、 Dreiding、 PCFF、CVFF或者自定义力场类型5.0z 可考察参数随温度的变化
41、z 基于模拟得到配位数 Conformers 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、偶极距、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。 Conformers的主要功能 系统扫描 对于一个或者多个指定的扭转角，按照设定的角度间隔、范围进行调整。计算得到的所有构象能量，适用于扭转角数目较少的简单分子 随机取样 在设定的变化范围和取样数目条件下，
42、随机调整扭转角的度数。 波尔兹曼跳跃 引入了Metropolis选择准则的随机取样方法，利用波尔兹曼因子辅助判断扭转角调整的合理性，适用于扭转角数目较多的复杂分子 可分析的性质 能量，几何优化，扭转角度数，偶极距，回转半径，径向分布函数的差异，原子位置均方根偏差，扭转角的均方根偏差 Conformers的主要特性 z 自动寻找结构中的扭转角 z 支持对所得到的构象进行结构优化，并限定相应的扭转角度数 z 支持Universal、COMPASS、 Dreiding、 PCFF、CVFF或者自定义力场类型5.0z 可搜索环状分子的构象 z 范德瓦尔斯半径，原子坐标、扭转角的均方根偏差，径向分布函数
43、、原子间距的偏差都可以作为构象合理性的判断依据 Sorption Sorption 是一款基于巨正则蒙特卡洛（Grand Canonical Monte Carlo，GCMC）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。 Sorption的主要功能 固定压强 模拟在吸附气体（单一
44、或混合组分）逸度一定的情况下，达到平衡时，气体分子在吸附剂中的吸附情况，巨正则系综 固定载荷 模拟在吸附气体分子（单一或混合组分）数目一定的情况下，达到平衡时，气体分子在吸附剂中的吸附情况，正则系综 亨利常数 计算亨利常数 吸附等温线 计算设定温度、压强范围的吸附等温线 吸附位 搜寻最稳定的吸附位点 吸附情况的表征 吸附等温线、等压线以及吸附等量线，吸附能和能量分布曲线，最低能量吸附位，图形化显示密度、能量场（用于观察吸附位置及吸附区域） Sorption的主要特性 z 仅支持周期性体系，孔状或表面结构 z 可研究纯组分或者混合吸附质 z 支持Metropolis（刚性分子）和Configur
45、ational bias（柔性分子）两种MC方法 z 多种非键截断方式，包括Ewald z 可以限定吸附质分子吸附的空间范围，进一步提高了计算的精度和效率 z 单一或者混合吸附质 z 支持Universal、COMPASS、 Dreiding、 PCFF、CVFF以及自定义力场5.0z 支持perl脚本编程处理6.0Equillibria Equilibria使用先进的吉布斯系综蒙特卡洛方法，对单分子组分、二元和三元体系相图进行模拟研究，为化工及石化研究人员提供热力学数据，帮助研究人员进行材料研究和过程设计。模拟的体系包含直链或支链烷烃、-烯烃以及硫醚、硫醇、硫化氢、氮气以及正戊醇体系。 Eq
46、uillibria的主要功能和特性 z 吉布斯系综在 NVT条件下可模拟给定温度下单组分的汽/液相共存点 z 吉布斯系综在 NPT条件下可模拟二元或三元体系在任意温度、压力下汽/液相或液/液相共存点 z 扩展的系综选项可对直链分子进行相平衡模拟 z 可计算小分子在给定温度下的第二维里（Virial）系数 z 基于一系列纯组分的共存点，可计算临界常数和相图 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
47、质的程序，可快速筛选具有某些特性的聚合物种类或共聚物配比。所涉及的聚合物主要由碳、氢、氧、氮、硅、硫、氟、氯和溴九种元素组成。Synthia能够快捷的预测热导率，介电常数，溶解度参数等和聚合物相关的性质，其结果在实际工作中得到了广泛的验证。 Synthia能够预测的性质 链的刚度和缠绕 特征比、临界分子量、缠绕长度、缠绕分子量、摩尔刚度函数、位阻参数 电学、光学和磁学性质 抗磁磁化率、介电常数、摩尔折射率、折射率、体积电阻率 力学性质 脆性断裂应力、体模量、泊松比、剪切模量、剪切屈服应力、杨氏模量 结构特性 连接性指数、重复单元长度、重复单元分子量、重复单元的非氢原子、重复单元原子数 热物理性
48、质 玻璃化转变温度时的摩尔热容变化、热膨胀系数、内聚能、等压热容（固相/液相）、密度、玻璃化转变温度、摩尔体积、次级弛豫温度、溶解度参数、表面张力、热导率、范德瓦尔斯体积 疏运性能 粘流活化能、零切变速率粘度、氧气/氮气/二氧化碳渗透率 介观模拟方法 “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。所谓的“模型粗粒化”，是指将通常模型中的若干个原子视为一个基本结构单元，等效为一个“珠子”，而这种由珠子构成的结构模型，称为“粗粒化模型”。介观模拟方法即是采用各种势函数描述珠子间的相互作用，以及在这种作用存在条件下，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
49、学性质。 “模型粗粒化”使得介观模拟方法能够用更少的粒子，更简单的势函数形式，描述更大尺度的体系，因此，它可以研究微米尺度的模型及其在微秒范畴内的动力学过程。目前，常见的介观模拟方法包括：基于保守力、耗散力以及随机力描述珠子间相互作用的耗散粒子动力学(Dissipative Particle Dynamics, DPD)；基于Martini、Shinoda力场描述珠子间相互作用的粗粒化分子动力学(Coarse-Grained Molecular Dynamics, CGMD)；基于朗之万方程(Langevin equation)的平均场密度泛函方法（Mean-Field Density Functional Method）。 介观模拟方法所能研究的体系包括：聚合物体系、各种溶液体系、复合材料体系、纳米材料体系。 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）；MesoDyn（平均场密度泛函方法） Mesocite Mecocite是一个包含粗粒化分子动力学以及耗散粒子动力学
