試驗1MaterialsStudio軟件簡介及基本操作要點

1、計算材料學(xué)實驗講義實驗一：Materials Studio軟件簡介及基本操作一、前言1.計算材料學(xué)概述隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)研究的體系越來越復(fù)雜，理論研究往往不能給出復(fù)雜體 系解析表達，或者即使能夠給出解析表達也常常不能求解， 傳統(tǒng)的解析推導(dǎo)方法已不敷應(yīng)用， 也就失去了對實驗研究的指導(dǎo)意義。反之，失去了理論指導(dǎo)的實驗研究，也只能在原有的工 作基礎(chǔ)上，根據(jù)科研人員的經(jīng)驗理解、分析與判斷，在各種工藝條件下反復(fù)摸索，反復(fù)實驗， 最終造成理論研究和實驗研究相互脫節(jié)。近年來，隨著計算機科學(xué)的發(fā)展和計算機運算能力 的不斷提高，為復(fù)雜體系的研究提供了新的手段。在材料學(xué)領(lǐng)域，隨著對材料性能的要求不斷的提

2、高，材料學(xué)研究對象的空間尺度在不斷 變小，納米結(jié)構(gòu)、原子像已成為材料研究的內(nèi)容，對功能材料甚至要研究到電子層次，僅僅 依靠實驗室的實驗來進行材料研究已難以滿足現(xiàn)代新材料研究和發(fā)展的要求。然而計算機模 擬技術(shù)可以根據(jù)有關(guān)的基本理論，在計算機虛擬環(huán)境下從納觀、微觀、介觀、宏觀尺度對材 料進行多層次研究，進而實現(xiàn)材料服役性能的改善和材料設(shè)計。因此，計算材料學(xué)應(yīng)運而生， 并得到迅速發(fā)展，目前已成為與實驗室實驗具有同樣重要地位的研究手段。計算材料學(xué)是材料科學(xué)與計算機科學(xué)的交叉學(xué)科，是一門正在快速發(fā)展的新興學(xué)科，是 關(guān)于材料組成、結(jié)構(gòu)、性能、服役性能的計算機模擬與設(shè)計的學(xué)科， 是材料科學(xué)研究里的“計 算機

3、實驗”。計算材料學(xué)主要包括兩個方面的內(nèi)容：一方面是計算模擬，即從實驗數(shù)據(jù)出發(fā)， 通過建立數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計算，模擬實際過程；另一方面是材料的計算機設(shè)計，即直接通過 理論模型和計算，預(yù)測或設(shè)計材料結(jié)構(gòu)與性能。計算材料科學(xué)是材料研究領(lǐng)域理論研究與實 驗研究的橋梁，不僅為理論研究提供了新途徑，而且使實驗研究進入了一個新的階段。計算材料學(xué)的發(fā)展是與計算機科學(xué)與技術(shù)的迅猛發(fā)展密切相關(guān)的。從前，即便使用大型 計算機也極為困難的一些材料計算，如材料的量子力學(xué)計算等，現(xiàn)在使用微機就能夠完成， 可以預(yù)見，將來計算材料學(xué)必將有更加迅速的發(fā)展。另外，隨著計算材料學(xué)的不斷進步與成 熟，材料的計算機模擬與設(shè)計已不僅僅是材

4、料物理以及材料計算理論學(xué)家的熱門研究課題， 更將成為一般材料研究人員的一個重要研究工具。由于模型與算法的成熟，通用軟件的出現(xiàn),使得材料計算的廣泛應(yīng)用成為現(xiàn)實。因此，計算材料學(xué)基礎(chǔ)知識的掌握已成為現(xiàn)代材料工作 者必備的技能之一。2.計算機模擬方法簡介按照時間和空間尺度的不同，計算機模擬技術(shù)分為量子力學(xué)層次、統(tǒng)計力學(xué)層次、介觀 層次和宏觀層次，主要包含量子力學(xué)方法、半經(jīng)驗分子軌道方法、密度泛函理論、分子力學(xué) 方法、分子動力學(xué)方法、Monte Carlo方法、耗散動力學(xué)方法、介觀動力學(xué)方法、有限元方法、 有限差分方法等。aEContinuum mechanicsfor modeling materi

5、alsfar bulk materialsProcessing simulationMolecular mechanics ormolecular dynamics for molecules or atomsQuantum mechanicsfor electrons* Molecular modeJing10%Space計算機模擬技術(shù)的層次分布圖（1）密度泛函理論量子力學(xué)方法是以原子分子的微觀結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)，在合理的近似條件下，利用量子力 學(xué)原理和必要的數(shù)學(xué)處理方法與計算方法，描述和計算原子分子的結(jié)構(gòu)、電荷分布、電子能 級以及分子能量等性質(zhì)。其核心是求解分子的薛定諤方程。進入20世紀90年

6、代，以密度泛函為基礎(chǔ)的密度泛函理論方法迅速發(fā)展起來，它改變了以往其他量子化學(xué)計算方法以軌道波 函數(shù)為基的特點，轉(zhuǎn)而以電子的密度函數(shù)為基，大大提高了計算效率，并迅速得到廣泛應(yīng)用。密度泛函理論的基本思想是原子、分子和固體的基態(tài)性質(zhì)可用粒子密度函數(shù)來描述。1927年H. Thomas和E. Fermi作了最初的嘗試，將能量表示為電子密度的泛函。1965年,Hohe nberg-Kohn定理證明了多粒子體系的基態(tài)性質(zhì)是粒子密度的唯一泛函，也就是說多粒子 系統(tǒng)的基態(tài)性質(zhì)由密度泛函唯一確定，能量泛函對粒子數(shù)密度的變分是確定系統(tǒng)基態(tài)的途徑 但是，仍存在以下三個方面的問題：如何確定粒子數(shù)密度函數(shù)，如何確定動能

7、泛函，如何確定交換關(guān)聯(lián)能泛函；對于問題、，W. Kohn和L. J. Sham提出了解決方案，并由此得到Kohn-Sham方程，該方程成為密度泛函方法的基礎(chǔ)方程；而問題一般通過采用所謂的 局域密度近似(Local Density Approximation，簡稱LDA )方法來解決。在 Kohn-Sham方程的 框架下，可將其多電子系統(tǒng)的基態(tài)特征問題在形式上轉(zhuǎn)化為有效單電子問題，但這只有在找 出準確的交換關(guān)聯(lián)勢能泛函表達式時才有實際意義。因此，交換關(guān)聯(lián)泛函在密度泛函理論中 占有重要地位。根據(jù)密度泛函近似的基本思路(Kohn-Sham方程)，系統(tǒng)總能量與電子密度函數(shù)之間的關(guān) 系可表示為E 二 E

8、jr)】 Ev(r)l Ej(r)l Exc 匕(r)l式中，Et h(r) 1為經(jīng)典動能項，Ej；-(r) 1包括核與核的排斥勢能和核與電子的吸引能，Ej；-(r)l是電子間的靜電庫侖相互作用勢，Exc b(r) 1是交換關(guān)聯(lián)能。Exch(r) 1又可分為兩部分，即交 換積分項和相關(guān)積分項，分別對應(yīng)于同自旋與混合自旋的相互作用EXC(EXC) EC(：)式中，EXC(D、EX(。、EC()三項都是電子密度的函數(shù)，決定上式右側(cè)的函數(shù)分別稱為交換函數(shù)和相關(guān)函數(shù)，這兩種函數(shù)又分別有兩部分構(gòu)成， 一部分是只和有關(guān)的局域函數(shù)， 另一部分是和亍與二都有關(guān)的梯度函數(shù)。(2) 分子力學(xué)方法分子力學(xué)以分子模型

9、為基礎(chǔ)，采用經(jīng)驗是函數(shù)表征結(jié)構(gòu)單元之間的相互作用，通過求解 牛頓方程，描繪出實體相點的運動軌跡，從中篩選出能量極值點和相應(yīng)的分子構(gòu)象，計算平 衡和非平衡性質(zhì)。它忽略了電子運動，把體系能量看作是原子核坐標的函數(shù)，其貢獻來自諸 如鍵伸縮、單鍵鍵角的張合以及旋轉(zhuǎn)等等。該方法從本質(zhì)上說是能量最小值方法，即在原子 間相互作用勢的作用下，通過改變粒子分布的幾何位型，以能量最小為判據(jù)，從而獲得體系 的最佳結(jié)構(gòu)。分子力學(xué)中用力場來描述分子中各原子間的相互作用。所謂力場是指描述各種形式的相互 作用對分子能量影響的函數(shù)，其有關(guān)參數(shù)、常數(shù)和表達式通常稱為力場。一般力場的表達式 為E Estretch bend Et

10、orsion /dw elec 式中，Estretch為鍵的伸縮能，Ebend.為鍵的彎曲能，二者均采用諧振子模型；Etorsion-為鍵的扭曲勢，它采用傅立葉級數(shù)形式來描述；Evdw、Eelec為非鍵作用項，分別表示范德華相互作用和靜電相互作用。（3）分子動力學(xué)方法分子動力學(xué)模擬方法的基本思想是把物質(zhì)看成由原子和分子組成的粒子系統(tǒng)（man y-bodysystems），從該體系的某一假定的位能模型出發(fā)，并假定體系粒子的運動遵循經(jīng)典力學(xué)或量 子力學(xué)描述的規(guī)律，若已知粒子的所有受力作用，則可以求解出運動方程而得到系統(tǒng)中全體 粒子在相空間中的軌道，然后統(tǒng)計得到系統(tǒng)的熱力學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)和輸運特性等。其

11、基本步驟是首先將由N個粒子構(gòu)成的系統(tǒng)抽象成 N個相互作用的質(zhì)點，每個質(zhì)點具有 坐標（通常在笛卡兒坐標系中）、質(zhì)量、電荷及成鍵方式，按目標溫度根據(jù) Boltzma nn分布隨 機指定各質(zhì)點的初始速度，然后根據(jù)所選用的力場中的相應(yīng)的成鍵和非鍵能量表達形式對質(zhì) 點間的相互作用能以及每個質(zhì)點所受的力進行計算。接著依據(jù)牛頓力學(xué)計算出各質(zhì)點的加速 度及速度，從而得到經(jīng)一指定積分步長后各質(zhì)點新的坐標和速度，這樣質(zhì)點就移動了。經(jīng)一 定的積分步數(shù)后，質(zhì)點就有了運動軌跡。設(shè)定時間間隔對軌跡進行保存。最后可以對軌跡進 行各種結(jié)構(gòu)、能量、熱力學(xué)、動力學(xué)、力學(xué)等的分析，從而得到感興趣的計算結(jié)果。其優(yōu)點 在于系統(tǒng)中粒子的

12、運動有正確的物理依據(jù)，準確性高，可同時獲得系統(tǒng)的動態(tài)與熱力學(xué)統(tǒng)計 信息，并可廣泛地適用于各種系統(tǒng)及各類特性的探討。（4）耗散動力學(xué)方法1992年，Hoogerbrugge和Koelman提出了一種新型分子模擬方法， 他們把分子動力學(xué)與 格子氣體自動控制方法有機地結(jié)合起來，提出了針對復(fù)雜流體介觀層次上的模擬方法，被稱 為耗散粒子動力學(xué)（DPD）方法。通過保留體系運動方程積分的主要部分而首先積分出最小的 空間自由度，找到了一個能夠在介觀的時間與空間尺度上模擬復(fù)雜流體的方法。在DPD體系中，珠子通過軟勢與其它珠子之間發(fā)生相互作用，其中每一個珠子表示體系中的一個小區(qū)域。并假設(shè)其運動遵從牛頓定律，即珠子

13、上的合力為其直接相互作用及它與其它珠子之間的耗散 力和隨機力之和。通過對其運動方程積分，得到體系的動力學(xué)行為沿著一個通過相空間的拋 物線運動，利用柔性（soft）勢能函數(shù)進行能量計算，平衡性質(zhì)可由沿該軌跡作適當平均計算得 出。DPD的特色在于：（1）引入了非?！败洝钡牧Ｗ娱g相互作用勢，從而使選用較大的時間 步長成為可能。不過，過大的時間步長，容易引起較大的離散化誤差。因此，謹慎地選擇時間步長，以在保證模擬穩(wěn)定性的前提下，使時間步長盡可能大是很重要的；（2）引入了一個具有Galilei不變性的熱浴，減小粒子之間的相對速度，并且在每一對粒子之間加入隨機力補 償能量。由于隨機力是作用于一對粒子之間的

14、，因此滿足牛頓第三定律，從而整個體系的動 量是守恒的。弓I入的這個熱浴，在滿足 Fluctuation-Dissipation關(guān)系的條件下，使DPD方法可 以正確地表述動量傳遞，而這一點對于復(fù)雜流體的動力學(xué)是非常重要的。3. Materials Studio 軟件介紹Materials Studio軟件包由美國Accelrys公司出品，是專門為材料科學(xué)領(lǐng)域研究者開發(fā)的一 款可運行在PC上的模擬軟件。該產(chǎn)品提供了全面完善的模擬環(huán)境，集量子力學(xué)、分子力學(xué)、 介觀模型、分析工具模擬和統(tǒng)計相關(guān)為一體，可以幫助解決當今催化劑、聚合物、固體及表 面、晶體與衍射、化學(xué)反應(yīng)等材料和化學(xué)研究領(lǐng)域的一系列重要問題

15、。Materials Studio軟件是高度模塊化的集成產(chǎn)品，用戶可以自由定制、購買自己的軟件系統(tǒng)，以滿足研究工作的不同 需要。目前該軟件被廣泛應(yīng)用于石化、化工、制藥、食品、石油、電子、汽車和航空航天等 工業(yè)及教育研究部門。Materials Studio采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 面板直接對計算參數(shù)和計算結(jié)果進行設(shè)置和分析。目前，Materials Studio軟件主要以下幾個功能模塊：Visualizer模塊：提供了搭建材料結(jié)構(gòu)模型所需要的所有工具，可以操作、觀察及分析結(jié) 構(gòu)模型，并提供軟件的基本環(huán)境和分析工具，是該軟件的核心模塊。COMPA

16、SS模塊：第一個由凝聚態(tài)性質(zhì)以及孤立分子的各種從頭算和經(jīng)驗數(shù)據(jù)等參數(shù)化 并經(jīng)驗證的從頭算力場?？梢栽诤艽蟮臏囟?、壓力范圍內(nèi)精確地預(yù)測孤立體系或凝聚態(tài)體系 中各種分子的結(jié)構(gòu)、構(gòu)象、振動以及熱物理性質(zhì)。Discover模塊：軟件分子力學(xué)計算引擎。使用多種分子力學(xué)和動力學(xué)方法，以仔細推導(dǎo) 的力場作為基礎(chǔ)，可準確地計算出最低能量構(gòu)型、分子體系的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)軌跡等。Amorphous Cell模塊：允許對復(fù)雜的無定型系統(tǒng)建立有代表性的模型，并對主要性質(zhì)進 行預(yù)測。通過觀察系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的關(guān)系，可以對分子的一些重要性質(zhì)有更深入的了解，從而設(shè)計出更好的新化合物和新配方。DMol3模塊：獨特的密度泛函（D

17、FT）量子力學(xué)程序，是唯一可以模擬氣相、溶液、表 面及固體等過程及性質(zhì)的商業(yè)化量子力學(xué)程序，應(yīng)用于化學(xué)、材料、化工、固體物理等許多 領(lǐng)域?？捎糜谘芯烤啻呋⒍嘞啻呋?、半導(dǎo)體、分子反應(yīng)等，也可預(yù)測諸如溶解度、蒸氣壓、配分函數(shù)、溶解熱、混合熱等性質(zhì)?？捎嬎隳軒ЫY(jié)構(gòu)、態(tài)密度?；趦?nèi)坐標的算法強健 高效，支持并行計算。CASTEP模塊：先進的量子力學(xué)程序，廣泛應(yīng)用于陶瓷、半導(dǎo)體以及金屬等多種材料。 可研究：晶體材料的性質(zhì)（半導(dǎo)體、陶瓷、金屬、分子篩等）、表面和表面重構(gòu)的性質(zhì)、表 面化學(xué)、電子結(jié)構(gòu)（能帶及態(tài)密度、聲子譜）、晶體的光學(xué)性質(zhì)、點缺陷性質(zhì)（如空位、間 隙或取代摻雜）、擴展缺陷（晶粒間界、位錯

18、）、成分無序等?？娠@示體系的三維電荷密度 及波函數(shù)、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(shè)置， 可用于計算磁性體系。DPD模塊：耗散粒子動力學(xué)（Dissipative particle dynamics，DPD）是對包括全部流體動 力學(xué)相互作用流體粒子體系進行模擬的動力學(xué)程序。勢能的粗?；幚矸椒ㄊ箤^大時間和 空間尺度體系的模擬成為可能。DPD采用周期邊界條件使對無窮大體系的模擬更加有效?？?以使用平面墻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(yīng)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

19、或者數(shù)值結(jié) 果來進行分析。MesoDyn模塊：MesoDyn是一個介觀尺度動力學(xué)方法，用于研究跨越長時間過程的大體 系。此方法使用源自化學(xué)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程序進行研究。在固定幾何結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力和受限影響都可以 進行研究。MesoDyn的應(yīng)用包括：涂料，化妝品，混合聚合材料，表面溶劑，復(fù)雜藥物傳輸 以及其它領(lǐng)域。此外，Materials Studio 軟件還包括 Reflex （晶體衍射）、Sorption （吸附）、Forcite （經(jīng) 典分子力學(xué)）、QSAR （構(gòu)效關(guān)系）等模塊。軟件的模塊化模式可使研究人員非常方便的

20、選 擇適合自己的研究工具，同時良好的用戶界面也將人們從以往繁瑣的編程中解脫出來，極大 地提高了工作效率。二、實驗?zāi)康模?）了解計算機在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的應(yīng)用。（2）理解計算機模擬的概念、方法及基本原理。（3）掌握Materials Studio軟件的基本操作。三、實驗內(nèi)容1. 創(chuàng)建工程(1) 雙擊，或者開始一所有程序一 Accelrys Materials Studio Materials studio；(2) 選擇Create a new project創(chuàng)建一個新工程，如下圖所示：(3) 點擊確定，選擇新工程保存路徑，并將該工程命名為New projecto (注意：新工程可保存在電腦上任

21、意硬盤位置，但必須保證路徑全為英文，如D:fileNew project)（4）點擊OK，新工程創(chuàng)建完畢，如下圖所示。了解軟件界面上各部分基本功能2. 從軟件數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入分子和晶體結(jié)構(gòu)（1） 選擇菜單 file importstructures organics-選擇 benzene雙擊，即可導(dǎo)入苯的分子結(jié)構(gòu)，如下所示（2）運用工具欄 ：4j，?”可進行旋轉(zhuǎn)、放大、更改顯示方式等操作。例如點擊吐，（或者鼠標放在分子處右擊，選擇Display Style），出現(xiàn)如下對話框：0 Display StyleDisplay styleC NoneLinaLine width: 6r stickColo

22、fing廠 Custom:二二 ”i* Color by:| Element+廣 Ball and stickStick radius:Sall radium:r CPKCPK scale:P Polyhedron# Bond olderEditing: 12 atomsHelp(3)選擇ball a nd stick,相應(yīng)的結(jié)構(gòu)以球棍形式顯示，如下圖所示:S Bieplay Style區(qū)Atom 1Dijpapgoing廣 None廣 Cuslcm:i：|2r Lhe捋 Mwby-UrwMh |TT廣 Stick|EtenmxJ審 Qond DICfelS-lick radiis- |Q.2

23、曲諭由：r CPKHz Fr PcMiaflonEdling: 12-abormKtlp(4)同樣的方法，可以從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入聚合物、晶體結(jié)構(gòu)等，如下圖所示:3手動構(gòu)建分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)。(1)以構(gòu)建丁烷分子為例，菜單欄中選擇file new,選擇3D Atomistic,點擊確定。此時文件名出現(xiàn)在左側(cè)的 Project Explorer中，名稱為3D Atomistic Document，在其上單擊鼠標 右鍵，選擇Rename改名為butane并進行保存。(2)選擇工具欄 佑”弘，選擇sketch atom，選擇C原子，然后在文檔區(qū) 域繪制分子，并以球棍形式顯示，如下圖所示：-At;然后點擊工具欄中三，進行自動加H原子，點擊 門 按鈕對分子結(jié)構(gòu)進行初步調(diào)整，分子 構(gòu)建完畢。如下圖所示：