國(guó)際前沿化學(xué)計(jì)算模擬工具市公開(kāi)課獲獎(jiǎng)?wù)n件

1、 國(guó)際流行化學(xué)軟件簡(jiǎn)介 量化材料篇 北京宏劍公司 .07第1頁(yè)第1頁(yè)材料模擬 80年代中期以來(lái)，一些新材料非預(yù)期地被發(fā)覺(jué)出來(lái)，包括高Tc銅氧化物超導(dǎo)體、富勒烯及其衍生物、納米材料、超硬材料、人工低維量子結(jié)構(gòu)材料等。應(yīng)當(dāng)看到，計(jì)算和理論對(duì)于闡明這些新材料性能起了主要作用。一些事實(shí)表明，理論和辦法進(jìn)步已能對(duì)實(shí)際材料性能進(jìn)行理論預(yù)測(cè)。現(xiàn)在，研究者已處于通過(guò)理論計(jì)算來(lái)“設(shè)計(jì)”材料早期階段。 VASP/MedeA/ PHONON ATK /VNL Materials Explorer Crystal Wien2K CODESSA/AMPAC PQS 第2頁(yè)第2頁(yè) 數(shù)據(jù)庫(kù)其它 DNP 唯一一個(gè)天然產(chǎn)物源非

2、常全面化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù) ICSD 世界上最大無(wú)機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)CRYSTMET 無(wú)機(jī)材料數(shù)據(jù)庫(kù),包括化學(xué)晶體圖解和文獻(xiàn)目錄數(shù)據(jù)以及與每 個(gè)研究項(xiàng)目相關(guān)試驗(yàn)細(xì)節(jié)相關(guān)內(nèi)容. SC-Database 極其快速取得主要已發(fā)表金屬-配體穩(wěn)定常數(shù)ChemWatch MSDS Database 世界上最大獨(dú)立可取得MSDSs數(shù)據(jù)庫(kù)TAPP 純化合物物理性質(zhì)和熱化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù). JCE software 涉及了非常廣泛化學(xué)課程，從高中到碩士課程都涉及在內(nèi)Model Chemlab 用戶自定義試驗(yàn)，滿足特定試驗(yàn)課需求 HSC Chemistry 世界上使用最廣泛熱化學(xué)計(jì)算應(yīng)用軟件Model Chemlab 依據(jù)pH值和吸

3、光率計(jì)算平衡常數(shù) 結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)化學(xué)性質(zhì)及信息數(shù)據(jù)庫(kù)化學(xué)教學(xué)軟件熱力學(xué)軟件第3頁(yè)第3頁(yè) 顯然，模擬化學(xué)數(shù)值運(yùn)算與計(jì)算機(jī)化學(xué)邏輯運(yùn)算結(jié)合起來(lái)進(jìn)行“分子理性設(shè)計(jì)”，將是二十一世紀(jì)化學(xué)特色之一。并且，她完全順應(yīng)當(dāng)前倍受化學(xué)界注重和提倡綠色化學(xué)思想，使化學(xué)成為與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展、更高境界化學(xué)。第4頁(yè)第4頁(yè) 北京宏劍公司 .07謝 謝!第5頁(yè)第5頁(yè)主要功效計(jì)算材料結(jié)構(gòu)參數(shù)和構(gòu)型計(jì)算材料狀態(tài)方程和力學(xué)性質(zhì)(體彈性模量和彈性常數(shù))計(jì)算材料光學(xué)性質(zhì)；計(jì)算材料晶格動(dòng)力學(xué)性質(zhì)(聲子譜等)表面體系模擬(重構(gòu)、表面態(tài)和STM模擬)計(jì)算材料激發(fā)態(tài)(GW準(zhǔn)粒子修正)等等第6頁(yè)第6頁(yè)第7頁(yè)第7頁(yè)第8頁(yè)第8頁(yè)當(dāng)前使用VASP兩個(gè)

4、困難1、由于使用系統(tǒng)為linux，這就給用戶操作帶來(lái)了一定困難2、現(xiàn)在使用Linux版VASP，用戶在建模和分析過(guò)程中存在很大不便，并且必須輔助其它工具才干完畢。第9頁(yè)第9頁(yè)MedeA MedeA-VASP Vienna Ab-Initio模擬軟件包。國(guó)際上先進(jìn)第一原理密度泛函代碼，可在廣泛范圍內(nèi)研究材料性質(zhì)。MedeA-Phonon 可預(yù)測(cè)晶體、分子、點(diǎn)缺點(diǎn)、表面和界面晶格振動(dòng)譜和熱力學(xué)函數(shù)MedeA-GIBBS 能計(jì)算預(yù)測(cè)氣體、氣/固體系、液體、液/固體系和液/氣體系熱力學(xué)性質(zhì)MedeA-ElectrA 可快速計(jì)算電子能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、光學(xué)性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)。InfoMaticA ICSD P

5、auling Crystal Data 功效強(qiáng)大從試驗(yàn)得到結(jié)構(gòu)信息、性質(zhì)和計(jì)算結(jié)果中搜索引擎. 該模塊涉及含有超出100,000個(gè)無(wú)機(jī)物試驗(yàn)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)。Interface Search：依據(jù)結(jié)構(gòu)匹配原則找到異類界面和晶界，涉及到結(jié)構(gòu)搜索、建模和可視化。PrediBond TM: 基于鍵和強(qiáng)度標(biāo)預(yù)測(cè)催化活性第10頁(yè)第10頁(yè) Materials Explorer 4.0專業(yè)材料分子模擬多功效分子動(dòng)力學(xué)軟件包-結(jié)合應(yīng)用領(lǐng)域研究材料工程有力工具分子模擬分子動(dòng)力學(xué)Monte Carlo 軟件包Crystal Builder 無(wú)機(jī)固體及分子晶體系統(tǒng)Solution Modeler 輕松建立隨機(jī)多組

6、分液相或氣相系統(tǒng)Layer Cell Model 研究異相系統(tǒng)(氣-固界面,固體顆粒邊界等 NEV NTV NPH NTP 系宗模擬周期邊界條件評(píng)估界面勢(shì)能高級(jí)算法外部電子場(chǎng)應(yīng)用計(jì)算能力對(duì)X射線和中子衍射干涉函數(shù);對(duì)無(wú)定型固體進(jìn)行表征;顯示時(shí)間與溫度,壓力,內(nèi)部能量等性質(zhì)二維圖象；顯示系統(tǒng)快照，軌跡和動(dòng)畫(huà)；計(jì)算Voronoi多面體數(shù)量和表面數(shù)分析能力第11頁(yè)第11頁(yè)計(jì)算New integrator Hernandez (larger time step)大型輸出文獻(xiàn) (2GB or larger)輸出文獻(xiàn)大小評(píng)估分析熱導(dǎo)性 (僅對(duì)制陶業(yè))原子距離X，Y，Z方向壓力動(dòng)能和勢(shì)能圖形材料平滑度(金屬

7、，塑料等等)力場(chǎng)外視圖單元可視影像新勢(shì)能Erkoc (LJ) for the metal cluster (Cu, Ag, Au, La, Lu, U)HaliciogluPound (LJ) for the cubic metal (Al, Ca, Au,Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Cu, Cr, Fe, Li, Mo, W, Na, K)FlahiveGraham (Morse) for the bcc and fcc metal (alpha-Fe, Mo, Nb, Ta, V, W, Ag, Au, Cu, Ir, Pb, Pt, Rh, Ni, Pd)AMBER Para

8、m96, Param98, Param99 for protein,KKY for water, Klein McDonald HFJ for HF建模/環(huán)境聚合物構(gòu)建(涉及無(wú)定形體，無(wú)限鏈)局部旋轉(zhuǎn)用戶模板(晶體結(jié)構(gòu)，條件)勢(shì)能分布規(guī)則 Materials Explorer 4.0采用非平衡分子動(dòng)力學(xué)辦法，能夠以更高精度算出熱傳導(dǎo)率 第12頁(yè)第12頁(yè) Materials Explorer 4.0 西安交通大學(xué)多學(xué)科材料研究中心購(gòu)買ME軟件包，以windows系統(tǒng)為操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)從windows到Linux系統(tǒng)跨平臺(tái)多CPU并行運(yùn)算，依據(jù)分子動(dòng)力學(xué)，蒙特卡羅法等辦法，處理形狀記憶合金中馬氏體相

9、變機(jī)制等問(wèn)題。西安交通大學(xué)多學(xué)科材料研究中心成功案例1、Xiangdong Ding, Tetsuro Suzuki, Xiaobing Ren et. al., Precursors to stress-induced martensitic transformations and associated superelasticity:Molecular dynamics simulations and an analytical theory. PHYSICAL REVIEW B 74, 104111 ().2、X.D. Ding, T. Suzuki, J. Sun et. al., S

10、tudy on elastic constant softening in stress-induced martensitic transformation by molecular dynamics simulation. Materials Science and Engineering A 438440 () .第13頁(yè)第13頁(yè) CRYSTAL06CRYSTAL是研究固態(tài)晶體最流行程序之一，并且是第一個(gè)公開(kāi)公布程序。 CRYSTAL程序使Hartree-Fock，密度泛函或各種混合近似辦法，計(jì)算周期體系電子結(jié)構(gòu)。周期體系Bloch函數(shù)作為原子中心Gaussian函數(shù)線性組合展開(kāi)。程序使

11、用了強(qiáng)大屏蔽技術(shù)研究實(shí)空間區(qū)域。代碼能夠用來(lái)研究分子，多聚物，表面和晶體物理、電和磁性質(zhì)，使用全電子基組或者包括有效核勢(shì)價(jià)基組進(jìn)行限制性閉殼層，限制性開(kāi)殼層，或者非限制性計(jì)算。第14頁(yè)第14頁(yè) Aluminum Hydroxides Diaspore Bayerite Gibbsite Boehmite (SPG=14) Boehmite (SPG=36) Boehmite (SPG=63)第15頁(yè)第15頁(yè)ChemDraw - 化學(xué)結(jié)構(gòu)繪圖軟件，是各論文期刊指定格式。 Chem3D - 提供工作站級(jí)3D分子輪廓圖及分子軌道特性分析，并和數(shù)種量子化學(xué)軟件結(jié)合在一起。ChemPro- 預(yù)測(cè)BP、M

12、P、臨界溫度、臨界氣壓、吉布斯自由能、logP、折射率、熱結(jié)構(gòu)等性質(zhì)。ChemFinder - 化學(xué)信息搜尋整合系統(tǒng)。是一個(gè)智能型快速化學(xué)搜尋引擎，所提供ChemInfo信息系統(tǒng)是當(dāng)前世界上最豐富數(shù)據(jù)庫(kù)之一，包括ChemACX、ChemINDEX、ChemRXN、ChemMSDX，并不斷有新數(shù)據(jù)庫(kù)加入。 WebServer - 化學(xué)網(wǎng)站服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。您可將您ChemDraw、Chem3D作品發(fā)表在網(wǎng)站上。還提供250,000種化學(xué)品數(shù)據(jù)庫(kù)。Chemoffice第16頁(yè)第16頁(yè)用密度泛函理論計(jì)算固體電子結(jié)構(gòu)。它基于鍵結(jié)構(gòu)計(jì)算最準(zhǔn)確方案-完全勢(shì)（線性）綴加平面波(L)APW + 局域軌道(

13、lo)辦法。在密度泛函中能夠使用局域（自旋）密度近似(LDA)或廣義梯度近似(GGA)。WIEN 2K使用全電子方案，包括相對(duì)論影響。 WIEN2K 第17頁(yè)第17頁(yè) WIEN2K 功效：鍵能和態(tài)密度，電子密度和自旋密度，X射線結(jié)構(gòu)因子，電場(chǎng)梯度，異構(gòu)體位移，超精細(xì)場(chǎng)，自旋極化，X射線發(fā)射和吸取譜，電子能量損失譜，固體光學(xué)特性，費(fèi)米面，軌道極化，中心對(duì)稱和非中心對(duì)稱晶格等等。第18頁(yè)第18頁(yè) ATK是第一原理電子結(jié)構(gòu)程序，用于研究與半無(wú)限電極相連納米結(jié)構(gòu)體系電子性質(zhì)。這兩個(gè)電極，能夠是納米管和金屬，而納米結(jié)構(gòu)體系就是這兩者交界面區(qū)域。 ATK基于非平衡格林函數(shù)技術(shù)，能夠?qū)铝Ⅲw系和周期性體系進(jìn)

14、行常規(guī)電子結(jié)構(gòu)模擬，高效、高精度地進(jìn)行幾何優(yōu)化。研究體系包括金屬-納米管界面，分子器件，納米管缺點(diǎn)，原子線等電特性。 Virtual NanoLab使ATK輸入和輸出愈加直觀，工作流程能夠模擬真實(shí)試驗(yàn)過(guò)程，界面非常友好，給用戶帶來(lái)很大以便。Virtual NanoLab / Atomistix ToolKit 模擬和分析納米級(jí)裝置，進(jìn)行原子尺度各種性質(zhì)計(jì)算 第19頁(yè)第19頁(yè)Uniqueness ofAtomistix software Other quantum based software can model either isolated molecules or periodic sys

15、tems Atomistix can model complex nanostructures combining molecules with periodic systems and macroscopic elements Atomistix software is unrivaled in modeling the electrical properties of complex nanoscale components and systems Gaussian-03VASP第20頁(yè)第20頁(yè)Slope 1.76planarrotatedTakao Ishida et al., J. P

16、hys. Chem. B 106, 5886 ()C.C. Kaun, B. Larade, H.Guo, PRB 67, 121411 ()Resistance of insulating wires第21頁(yè)第21頁(yè)Change of Conductance with Length of WireY. J. Lee, M. Brandbyge, M. J. Puska, J. Taylor, K. Stokbro, P. Ordejon, and R. M. Niemenen., Phys. Rev. B 69, 125409 ().R. H. M. Smit, C. Untiedt, G.

17、 Rubio-Bollinger, R. C. Segers, and J. M. van Ruitenbeek, PRL 91, 76805 ().第22頁(yè)第22頁(yè)eBias: 2Volt. Constant electron density (0.02 e/a03) surface. The voltage drop is shown in a plane as contours.Bias: 2Volt. Change in electron density from 0 to 2V (0.002 e/a03).Non-equilibrium forcesThe size of the f

18、orces for 12 V bias: 0.51 nN Details depend on electrode (100)/(111)Increase in electron density and bonding between atom 2 and 3Increase in positive charge on atom 2The voltage drops between atom 1 and 21 2 31 2 3M. Brandbyge, K. Stokbro, J. Taylor, J.-L. Mozos, and Pablo OrdejonPhys. Rev. B Rapid

19、Comm. 67, 193104 (). 第23頁(yè)第23頁(yè)Si-SiO2-Si interfaceSilicon - -Cristobalite - Silicon第24頁(yè)第24頁(yè)P(yáng)QS 并行量化計(jì)算軟件 System & formulaJob typeSymm.Nbfa4 proc.8 proc.lactic acid C3H6O3B3PW91/DZVP2-DFT E+FREQC11204.32.9SeP(CH3)3RHF/Large E Cs1740.40.2Fe(CO)5B3LYP/m6-31G* OPT(5)b+FREQD3h1868.3-Cr(acac)3 C15H21O6CrUB3LYP/LANL2DZ OPT(8)b + FREQD32536036C60BLYP/3-21G OPT(8)b + FREQOh5406737閉殼層和開(kāi)殼層SCF和DFT能量、梯度計(jì)算，包括幾種初始波函猜想選項(xiàng)；所有流行互換-相關(guān)泛函以及用戶自定義泛函；用上面所有辦法進(jìn)行靈活高效幾何優(yōu)化勢(shì)能面掃描 、反應(yīng)路徑跟蹤 、布居數(shù)分析 、極化率和極化率導(dǎo)數(shù) 完整半經(jīng)驗(yàn)包Pople型輸入，用于快速產(chǎn)生輸入，并與其它程序兼容 所有主要從頭計(jì)算功效均實(shí)現(xiàn)并行化 支持Gaussian風(fēng)格輸入方式 第25頁(yè)第25頁(yè) CODESSA是一個(gè)高級(jí)，含有全面描述符定量構(gòu)效關(guān)系（QSAR）和定量構(gòu)性關(guān)