Materials Studio 2020 Materials Studio材料设计模拟计算平台版本较之前的Materials Studio 2019版本在产品功能、精度和效率上再一次飞跃。首先，紧跟时代潮流，结合目前的研究热点，完善和添加新的产品功能，拓展在新型功能材料和能源材料方向的应用，强化对大规模、高通量计算的支持。其次，增加多种高效、精准的模拟方法，使软件功能更加强大。此外，进一步优化、提升产品的计算效率。该版本迎合时代发展需求，更适合与传统实验结合，改变旧的研发模式，促进材料领域的跳跃式发展。

Materials Studio 2020 Materials Studio材料设计模拟计算平台的典型特征：

• DMol³模块新增杂化交换相关泛函：PBE0、TPSSh、SCAN0、M06、M06-2X, 大幅度提高材料计算精度;

• DMol³模块支持COOP/COHP (晶体轨道重叠布居/晶体轨道哈密顿布居)的计算，可以研究周期性体系中的局域化学键性质。

• CASTEP模块现已支持meta-GGA交换关联泛函RSCAN，进一步丰富了交换相关能的处理方法。

• CASTEP模块的几何优化任务(Geometry Optimization)，LBFGS设置成当前默认算法。该方法能加速结构优化、收敛速度更快、更适合大体系的计算，而且内存使用是线性标度的，在机器学习各类算法中常见它的身影。

• CASTEP模块使用脚本可调用QC5 ultrasoft OTFG系列赝势库，适合大规模、高通量计算，支持人工智能和机器学习；

• ONETEP模块嵌入了费米算子扩展的退火和淬火算法(AQUA-FOE), 为大尺度金属体系建模提供了真正的线性标度。

• ONETEP模块除了模守恒赝势(norm-conserving pseudopotentials)以外，新增了PAW赝势支持电子激发态的TD-DFT的计算；

• COMPASS III力场的引入，加强了对离子液体、聚合物等的支持；

• Forcite模块进行了多项性能方面的改进，性能有很大的提升；

• GULP模块更新到学术版5.2版本，很多性能有进一步的提升；

• GULP模块加入了模拟退火 (Anneal) 功能，方便全局最优构型的筛选；

• QMERA模块中，DMol3 可以计算拉曼光谱，功能进一步拓展。

Materials Studio 2020 Materials Studio材料设计模拟计算平台主要模块的新功能:

量子力学模块"

DMol³模块

•  新杂化交换相关泛函：新增处理交换相关能的杂化泛函：PBE0、TPSSh、SCAN0、M06、M06-2X, 大幅度提高该模块的计算精度;

• COOP/COHP功能：添加计算COOP/COHP (晶体轨道重叠布居/晶体轨道哈密顿布居) 的功能，研究周期性体系中的局域化学键性质，例如：成键态、反键态。

• 产生与COSMO-RS兼容的文件：DMol³使用特定的参数设置，能产生与COSMO-RS (the COSMO theory for "Real Solvents") 兼容的COSMO文件( .cosmo)。这个文件可用于COSMO-RS模型预测液体的热力学性能，例如：纯流体和液体混合物的溶解度、活度系数、相图、蒸气压、汽化热、相平衡等。

CASTEP模块

 添加meta-GGA交换相关泛函：现已支持meta-GGA交换相关泛函RSCAN，进一步丰富了交换相关能的处理方法。

(来源于: J. Sun, R. C. Remsing, et al., Nat. Chem. 8 (2016) 831)

• 新几何优化默认算法：LBFGS (low-memory BFGS) 成为当前几何优化任务(Geometry Optimization)的默认算法，该方法能加速结构优化、收敛速度更快、更适合大体系的计算，而且内存使用是线性标度的，是一种适合机器学习的算法。

• 适合高通量计算的赝势：使用脚本可调用QC5 ultrasoft OTFG系列赝势库，适合大规模、高通量计算，支持人工智能和机器学习。

• 静电势的计算：杂化泛函现已支持静电势可视化、功函数计算。

• 更适应源码开发的用户界面

ONETEP模块

• AQUA-FOE 方法：ONETEP嵌入了费米算子扩展的退火和淬火算法(AQUA-FOE, Annealing and QUenching Algorithm for Fermi Operator Expansion)，为大尺度金属体系提供了真正的线性标度模拟。

• 溶剂化模型：实现了带周期性边界条件的溶剂化模型计算，以支持在溶剂中对块体和表面体系的模拟工作。

• 电子激发态的TD-DFT计算：除使用模守恒赝势(norm-conserving pseudopotentials)以外，新增支持使用PAW赝势完成电子激发态的TD-DFT计算。

• 电子局域函数分析：新增支持电子局域函数 (Electron localization function) 的分析，可以对大体系中的成键原理进行可视化研究。

• 局域DOS计算：用户界面现在支持局域DOS（LDOS）分析和导带优化。LDOS 展示体系中的原子对能量谱的各个部分的电子态的贡献。

分子力学及动力学模块

力场

• COMPASSIII力场的引入: 引入了COMPASS III力场，强化了对溶液、离子液体和聚合物的支持，使经典模拟计算有更好的适应性、功能更加强大。COMPASSIII力场可以被多个模块调用，比如：AmophousCell、ForcitePlus、Blends、Conformers、Sorption以及Adsorption locator。

• 模拟退火功能：GULP加入了模拟退火（Anneal）功能，方便全局最优构型的筛选。

• 力场：MEAM-2nn-QEq库中包含参数扩展到Li-Co-O和Ti-O/Si-O体系，适合于锂电池正极材料的研究。

• 代码更新：GULP 代码已更新为到学术版5.2版本。

QMERA模块

• 拉曼光谱：QMERA基于DMol³ 的计算可以计算拉曼光谱，进一步拓展了功能。

• 杂化交换相关泛函的添加：QMERA基于DMol³的计算实现了如下杂化交换相关泛函：PBE0、TPSSh、SCAN0、M06、M06-2X，提高了模拟体系的量子力学部分的计算精度。

Materials Studio 材料设计模拟软件平台是科研模拟软件公司Biovia的核心产品。在近20年的发展历程中，Materials Studio获得了来自全球多个科研机构的技术支持，历经23个版本的更新和升级，现已融合多种时、空间尺度的模拟方法，形成了一个包含16个工具包、22个功能模块，可实现从微观电子结构到宏观性能预测的跨尺度科学研究平台，是目前分子模拟领域中相对精确、稳定、高效的产品，在化工、环境、能源、制药、电子、食品、航空航天和汽车等工业领域和教育科研部门有着非常广泛的应用。

BIOVIA Sourcing Databases

Materials Studio材料设计模拟软件以可视化视窗界面为核心，主要包括量子力学模块、经典分子力学、动力学模块、介观动力学模块、蒙特卡洛方法模块、定量构效关系模块以及晶体形貌、结构预测模块。

一、可视化视窗界面

Materials Studio材料设计模拟软件的图形化界面，支持各种材料微观结构模型的搭建和计算结果可视化分析。

二、量子力学模块

以定态薛定谔方程为核心，计算原子核满足特定排列时，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、热力学性质以及力学性质，精度高且几乎不依赖于任何经验参数，被广泛应用在各类材料的模拟研究中。

三、经典分子力学、动力学模块

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，能够计算包含数千至数十万原子模型的相关性质，计算精度取决于势函数及参数的适用性。

四、介观动力学模块

“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。将通常模型中的若干个原子视为一个“珠子”，由珠子构成的结构模型称为“粗粒化模型”。介观模块采用各种势函数描述珠子间的相互作用，并研究珠子的分布、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、动力学性质。

五、蒙特卡洛方法模块

蒙特卡洛方法结合分子力场（势函数），在Materials Studio中被用来构建聚合物、溶液等无序结构模型，研究多孔材料、固体表面的气体分子吸附，搜索分子最优构象以及晶体结构。

Q&A

Q1.Materials Studio在高分子及其复合材料研究领域能做哪些方面的模拟工作？

Materials Studio中基于力场（势函数）的分子力学、动力学以及蒙特卡洛模块，包括介观动力学模块，可用于高效的搜索高分子的稳定构象，构建和表征高分子晶态或非晶态的结构和预测性质。

（1）树脂如交联环氧树脂的配方设计和力学性能研究，热固性聚合物在玻璃态和橡胶态的结构与机械性能之间的关系

（2）高分子材料的内聚能密度、玻璃化转变温度及共混行为及相分离形貌

（3）阻隔包装材料中小分子的渗透扩散研究

（4）复合材料的界面处的分布形态(密度场)及复合材料的杨氏模量、泊松比、热导率、透气率等宏观性质。

Q2.Materials Studio在纳米材料研究领域能做哪些方面的模拟工作？

Materials Studio软件平台中的量子力学方法和分子力学和动力学方法结合，可以研究纳米材料的微观结构及光、电、磁、力学及热力学相关的物理性质，化学反应活性以及自组装、外延生长机制进行研究。

（1）纳米材料如碳纳米管、石墨烯、硅纳米棒的电子结构的剪裁和控制

（2）纳米材料的催化反应机理研究和化学反应过程的研究

（3）纳米管机械性能，如在压缩、弯曲、拉伸载荷下的屈服模拟

（4）纳米材料电子输运性能

Q3.Materials Studio在非金属领域能做哪些方面的模拟工作？

（1）搭建半导体晶体、缺陷、表界面、纳米材料颗粒结构

（2）半导体如钛酸钡、氧化钛、氧化锌、等过渡金属元素氧化物材料的掺杂缺陷结构的缺陷态、缺陷形成能、电子结构

（3）稀土发光材料等光学材料的光学性质及发光机理研究

（4）电池材料如锂电池的设计，筛选可提高电池性能的掺杂元素；离子在电池中的扩散和迁移能垒

（5）新型多孔材料的结构设计和确认；气体分离；吸附等温线

（6）新型碳材料结构设计及性质研究

（7）硬材料如氧化硅、氧化铝、碳化硅、氮化硼的力学性质、电子结构、相变、相变路径、相变机制研究

（8）磁性材料如铁氧体的磁学性质研究

Q4.Materials Studio在金属领域能做哪些方面的模拟工作？

（1）搭建纯金属、合金、掺杂模型、位错、层错、孪晶、金属纳米颗粒结构

（2）合金配方设计和结构性质研究如：力学性质研究包括体弹性模量、杨氏模量泊松比；拉伸模拟研究得到抗拉强度；塑性变形（层错和孪晶）；热力学性质；扩散迁移

（3）金属体系常压、高压结构的解析和预测；相变

（4）非晶合金，金属玻璃等非晶固体的形成机制；金属液体的结构与性质

（5）金属的腐蚀与防护

（6）金属（包括碱金属）体材料和薄膜材料的磁性研究；结构无序对磁性的影响

（7）金属纳米颗粒催化反应

Q5.材料基因组项目中分子模拟能做什么？

科学家想通过Materials Genome Initiative（MGI）项目，找出元素间的相互作用对材料的种类和性质带来的广泛影响，以这些知识为基础，希望以更短的周期为不同应用“定制”相应材料。已经促成的来自麻省理工学院的以研究电池为主的Materials Project项目和哈佛的以清洁能源为主的Clean Energy Project计划。二者均利用密度泛函理论（Density Functional Theory）收集巨型数据库来预测模拟物质的实际属性。