Materials Studio 最强大的材料模拟计算平台

    Accelrys(美国)公司是世界领先的计算科学公司，是一系列用于科学数据的挖掘、整合、分析、模建与模拟、管理和提交交互式报告的智能软件的开发者，是目前全球范围内唯一能够提供分子模拟、材料设计、化学信息学和生物信息学全面解决方案和相关服务的软件供应商，所提供的全面解决方案和科技服务满足了当今全球领先的研究和开发机构的要求。

      Accelrys材料科学软件产品提供了全面和完善的模拟环境，可以帮助研究者构建、显示和分析分子、固   体、表面和界面的结构模型，并研究、预测材料的结构与相关性质。Accelrys的软件是高度模块化的集成产品，用户可以自由定制、购买自己的软件系统，以满足研究工作的不同需要。

     Accelrys软件用于材料科学研究的主要产品是Materials Studio分子模拟软件，它可以运行在台式机、各类型服务器和计算集群等硬件平台上。Materials Studio分子模拟软件广泛应用在石油、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；这些领域中具有较大影响的跨国公司及世界著名的高校、科研院所等研究机构几乎都是Accelrys产品的用户。

    Materials Studio分子模拟软件采用了先进的模拟计算思想和方法，如量子力学（QM）、线性标度量子力学(Linear Scaling QM)、分子力学(MM)、分子动力学(MD)、蒙特卡洛(MC)、介观动力学(MesoDyn)和耗散粒子动力学（DPD）、统计方法QSAR(Quantitative Structure - Activity Relationship )等多种先进算法和X射线衍射分析等仪器分析方法；模拟的内容包括了催化剂、聚合物、固体及表面、界面、晶体与衍射、化学反应等材料和化学研究领域的主要课题。

     Materials Studio分子模拟软件支持32与64位Windows和Linux操作平台，而且界面非常友好、操作简便，使化学及材料科学的研究者们能更方便地建立三维结构模型，并对各种小分子、晶体、无定型以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究，得到切实可靠的数据。 

    Materials Studio软件使任何研究者都能得到和世界一流研究部门相一致的材料模拟技术。#p#page_title#e#
  模块介绍 
- 基本环境
   MS.Materials Visualizer
- 分子力学与分子动力学
   MS.DISCOVER
   MS.COMPASS
   MS.Amorphous Cell
   MS.Forcite
   MS.Forcite Plus
   MS.GULP
   MS.Equilibria
   MS Conformers
   MS Adsorption Locator
   MS.Sorption
- 晶体、结晶与X射线衍射
  MS.Polymorph Predictor
   MS.Morphology
   MS.X-Cell
   MS.Reflex
   MS.Reflex Plus
   MS.Reflex QPA
- 量子力学
  MS.Dmol3
   MS.CASTEP
   MS.NMR CASTEP
   MS.VAMP
- 高分子与介观模拟
  MS.Synthia
   MS.Blends
   MS.DPD
   MS.MesoDyn
   MS.MesoPr
- 定量结构-性质关系
   MS.QSAR
   MS.QSAR Plus   
   MS.Dmol3 Descriptor#p#page_title#e#
基本环境
·MS. Visualizer   [PDF资料下载]
Visualizer可用来搭建分子、晶体、界面、表面及高分子材料结构模型，也可以构建样式各异的纳米团簇、介观尺度的结构模型，提供分子叠合以及分子库枚举等所需的所有工具，可以操作、观察及分析计算前后的结构模型，处理多种类型的图型、表格或文本等形式的数据，并提供软件的基本环境和分析工具以支持Materials Studio的其它产品。MS Visualizer是Materials Studio软件的核心模块，同时它还支持多种输入、输出格式，并可将动态的轨迹文件输出成avi格式，到Microsoft Office系列产品中进行编辑或演示。另外，也支持与第三方
软件或数据库的对接和访问，比如可以使用Conquest来查询剑桥结构数据库（CSD），输出3D结构或者选择其中的分子片断等，不过使用者需要自己具有CSD的使用权限。

分子力学与分子动力学
·MS. Discover    [PDF资料下载]
Discover是Materials Studio的分子力学计算引擎。它使用了多种成熟的分子力学和分子动力学方法，这些方法被证明完全适应分子设计的需要。以多个经过仔细推导和验证的力场为基础，Discover可以准确地计算出最低能量构象，并可给出不同系综下体系结构的动力学轨迹。Discover还为Amorphous Cell等产品提供了基础计算方法。周期性边界条件的引入使得它可以对固态体系进行研究，如晶体、非晶和溶剂化体系。另外，Discover还提供强大的分析工具，可以对模拟结果进行分析，从而得到各类结构参数、热力学性质、力学性质、动力学量以及振动强度。

·MS. COMPASS   [PDF资料下载]
COMPASS是“Condensed-phase Optimized Molecular Potential for Atomistic Simulation Study”的缩写。它是一个支持对凝聚态材料进行原子水平模拟的功能强大的力场。它是第一个由凝聚态性质以及孤立分子的各种从头算和经验数据等参数化并验证的从头算力场。使用这个力场可以在很大的温度、压力范围内精确地预测出孤立体系或凝聚态体系中各种分子的构象、振动及热物理性质。在COMPASS力场的最新版本中，Accelrys加入了65个以上的无机氧化物材料以及混合体系（包括有机和无机材料的界面）的一些参数，使它的应用领域最终包含了大多数材料科学研究者感兴趣的有机和无机材料。你可以用它来研究诸如表面、共混等非常复杂的体系。COMPASS力场可以被多个模块调用，比如Discover、AmophousCell和ForcitePlus。

·MS. Amorphous Cell   [PDF资料下载]
Amorphous Cell允许你对复杂的无定型体系建立有代表性的模型，并对主要性质进行预测。通过观察体系结构和性质的关系，可以对分子的一些重要性质有更深入的了解，从而设计出更好的新化合物和新配方。可以研究的性质有：内聚能密度(CED)、状态方程行为、链堆砌以及局部链运动、末端距和回旋半径、X光或中子散射曲线、扩散系数、红外光谱和偶极相关函数等。Amorphous Cell的特征还包括提供：任意共混体系的建模方法（包括小分子与聚合物的任意混合）、特殊的产生有序的向列型中间相以及层状无定型材料的能力（用于建立界面模型以适应粘合剂及润滑剂研究需要）、限制性剪切模拟、研究电极化和绝缘体行为的Poling法、多温循环模拟以及杂化的蒙特卡罗模拟。Amorphous Cell的使用需要Discover分子力学引擎的支持。

·MS. Forcite 与MS Forcite Plus   [PDF资料下载]
先进的经典分子力学工具，可以对分子或周期性体系进行快速的能量计算及可靠的几何优化还可以进行刚体优化以及动力学模拟，可以实现模拟淬火、退火等功能。包含了Universal、Dreiding 等被广泛使用的力场和PCFF、CVFF力场，并可以使用COMPASS力场以及多种电荷分配算法。支持二维体系的能量计算，可以对固态体系进行研究，如晶体、非晶和溶剂化体系，一整套的分析工具可用来对诸如偶极相关等复杂性质进行分析；同时还可以分析 Discover 所产生的.arc和.his 轨迹文件，能够得到各类结构参数、热力学性质、力学性质、动力学量以及振动强度。该模块能够使用Perl Script功能编译。

·MS GULP  [PDF资料下载]
GULP是一个基于分子力场的晶格模拟程序，可以进行几何结构和过渡态的优化，离子极化率的预测，以及分子动力学计算。GULP引入了多种力场，比如Brenner，Bush，Dreiding，Lewis与Tersoff等十几种类型力场，既可以处理分子晶体，也可以计算离子性的材料。同时还可以利用已有的数据拟合出具有针对性的力场以供，研究独特的体系。GULP可以计算的性质包括：氧化物的性质，点缺陷、掺杂和空隙，表面性质，离子迁移，分子筛和其他多孔材料的反应性能和结构，陶瓷的性质，无序结构等，可应用于多相催化、燃料电池、核废物处理、蒸气电解、气体传感器、汽车尾气催化以及石油化工等诸多工业领域。

·MS. Equilibria   [PDF资料下载]
使用独有的NERD力场来计算烃类化合物单组分体系或多组分混合物的气液、液液相图，溶解度作为温度、压力和浓度的函数也可同时得到，还可计算单组分体系的二阶virial系数，临界常数和共存曲线可以通过Ising Scaling分析得到。适用领域包括石油及天然气加工过程（如凝析气在高压下的性质）、石油炼制（重烃相在高压下的性质）、气体处理、聚烯烃反应器（产物控制）、橡胶。除了直链和支链的烷烃、烯烃以外可计算的体系还有主要的醇类、硫化物、硫醇、硫化氢和氮气等。

·MS Conformers   [PDF资料下载]
这个模块提供了搜索非周期性分子体系的构象空间的方法，通过搜索可以找到能量较低的合理构象样本。所研究的主要自由度是由分子体系的扭转角来决定的。Conformers模块可以实现系统或是随机的构象搜索。当运行此模块获得一系列的构象时，可以进一步计算一系列描述符来对结构进行更详细的分析。Conformers同样支持在输出的结果上进行二次搜索过程。比如从初始构象搜索得到的结构定义某个子结构，然后对于所有的子结构进行二次搜索。

·MS Adsorption Locator   [PDF资料下载]
可以用来模拟一种吸附物或者混合吸附物在基底上的负载情况。它可以在周期性或非周期性体系的基底上搜索到能量较低的吸附位点，或者研究混合吸附物中优先吸附的成分等。吸附物通常为分子气体或液体，基底可以是多孔晶体或表面，比如分子筛或者碳纳米管；也可以是无定形结构，比如氧化硅凝胶或者活性碳。Adsorption Locator通过Monte Carlo的方法来确定可能的吸附构型，在这个过程中使用Monte Carlo方法来搜索在温度缓慢降低的时候，基底-吸附物体系的构象空间。

·MS. Sorption   [PDF资料下载]
使用 Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) 方法预测分子在微孔材料 (如分子筛) 中的吸附性质，可用于吸附等温线、结合位、结合能、扩散途径及分子选择性的研究。#p#page_title#e#

晶体、结晶与X射线衍射
·MS. Polymorph Predictor  [PDF资料下载]
Polymorph是一个算法集，目的是测定晶体的低能多晶型。此方法可以与实验衍射数据相关联或者仅仅使用材料的化学结构来实现此目的。晶体的多晶型可能会导致不同的性质，因此判断哪种晶型更加稳定或者接近稳定态是非常重要的。在处理过程中微小的改变都会导致稳定性的大幅度变化。Polymorph中的相似性选择和聚类算法允许用户将相似模型归类，从而节省计算时间。该模块能够使用Perl Script功能编译。

·MS. Morphology   [PDF资料下载]
从晶体结构来模拟晶体的生长形貌。可以预测晶体生长外形，预测主生长面，研发特殊效果的掺杂成分，控制溶剂和杂质的效应。

·MS. X-Cell   [PDF资料下载]
已申请专利的X-Cell是一种全新、高效、综合、易用的指标化算法，它使用消光决定（extinction-specific）的二分法对参数空间进行详尽无遗的搜索，最终给出可能的晶胞参数的完整清单。在许多情况下X-Cell显示出比DICVOL、TREOR 和 ITO更高的成功率。X-Cell可以很好的处理粉末衍射数据指标化过程中的许多难点，如样品含有杂质相、峰位重叠、零点偏移、极端形状的晶胞等。

·MS. Reflex   [PDF资料下载]
模拟晶体材料的X光、中子以及电子等多种粉末衍射图谱。可以帮助确定晶体的结构，解析衍射数据并用于验证计算和实验结果。模拟的谱图可以直接与实验数据比较，并能根据结构的改变进行即时的更新。粉末衍射指标化算法包括：TREOR90, DICVOL91, ITO and X-Cell。结构精修工具包括Rietveld精修和Pawley精修。另外，Reflex可以利用粉末衍射的无定型参考数据和结晶参考数据来确定物质的结晶度(Crystallinity)。该模块能够使用Perl Script功能编译。

·MS. Reflex Plus   [PDF资料下载]
在Reflex标准功能的基础上加入已被广泛验证的Powder Solve技术，提供了一套可以从高质量的粉末衍射数据确定晶体结构的完整工具。包括粉末指标化、Pawley精修、解结构以及Rietveld精修。结构的全局搜索过程可以选用Monte Carlo模拟退火和Monte Carlo并行回火两种算法，求解过程中同时考虑到了优先取向的影响。

·MS. Reflex QPA  [PDF资料下载]
利用粉末衍射数据及Rietveld方法进行定量相分析的强大工具，可以通过多相样品的粉末衍射图判定不同组成成分的相对比例。可用于化学品或医药工业中有机或无机材料组成成分的确定。该模块能够使用Perl Script功能编译。

量子力学
·MS. Dmol3   [PDF资料下载]
独特的密度泛函（DFT）量子力学程序，是唯一可以模拟气相、溶液、表面及固体的性质及行为、并可以同时考虑周期性与非周期性溶剂化效应的商业化量子力学程序，应用于化学、材料、化工、固体物理等许多领域。可用于研究均相催化、多相催化、半导体、分子反应等，也可预测诸如溶解度、蒸气压、配分函数、溶解热、混合热等性质。可计算能带结构、态密度。方便的自旋极化设置，还可用于计算磁性体系。同时还支持基于量子力学的动力学计算。基于内坐标的算法高效准确，支持并行计算。该模块能够使用Perl Script功能编译。

·MS. CASTEP   [PDF资料下载]
先进的量子力学程序，使用平面波赝势的方法。广泛应用于陶瓷、半导体以及金属等多种材料。可研究的内容包括：晶体材料的性质（半导体、陶瓷、金属、分子筛等）、表面和表面重构的性质、表面化学、电子结构（能带及态密度、声子谱）、晶体的光学性质、点缺陷性质（如空位、间隙或取代掺杂）、扩展缺陷（晶粒间界、位错）、成分无序等。方便的自旋极化设置，还可用于计算磁性体系。可显示体系的三维电荷密度及波函数、模拟STM图像、固体材料的红外光谱、计算电荷差分密度。

·MS. NMR CASTEP  [PDF资料下载]
通过第一原理DFT理论预测NMR化学位移和电场梯度张量。方法适于计算包括有机分子、陶瓷和半导体在内的众多类型材料的团簇、固体、表面的NMR位移。

·MS ONETEP   [PDF资料下载]
ONETEP是针对于大体系计算的具有革命性的基于量子力学的程序。ONETEP在密度矩阵公式中使用密度泛函理论（DFT）。在ONETEP中，密度矩阵是根据特殊的最大局域泛函和非正交的广义万尼尔函数得到的。ONETEP是一个线性标度的方法，所以随着体系原子数目的增加，计算总能的时间是线性增加的。使用ONETEP进行第一性原理量化计算的典型应用有表面化学，结构性质，大分子体系的构象研究以及碳纳米管的结构和能量计算。同样也可以研究半导体和陶瓷材料中缺陷的相关性质（空位，空隙，掺杂，晶界和位错）。

·MS Gaussian Interface   [PDF资料下载]
可以通过Materials Studio的用户界面链接到Gaussian 03服务器，使用Gaussian程序进行计算，并对Gaussian的运行结果进行可视化分析。需要用户有Gaussian03使用权。

·MS. VAMP   [PDF资料下载]
半经验的分子轨道程序，适用于有机和无机的分子体系。可快速计算分子的多种物理和化学性质，其计算的速度和精度介于分子力学方法和量子力学之间。快速的VAMP程序可以为DFT程序提供了良好的初始结构以便进行精确的结构优化。经DFT优化好的结构可以用VAMP来计算各种性质和光谱。VAMP中还引入了ZINDO哈密尔敦函数，可计算包含过渡金属的有机金属体系的紫外光谱。VAMP还可以向分子动力学模拟提供参数。#p#page_title#e#

高分子与介观模拟
·MS. Synthia   [PDF资料下载]
可快速预测高分子诸多性质的定量结构-性质关系软件包。对均聚物和无规共聚物可预测从迁移性质到力学性能的一系列性质。

·MS. Blends   [PDF资料下载]
Blends可用于预测溶剂和聚合物体系的可混合性，并且能够很好地给出这些体系在制造过程中的稳定性。这种模拟技术能够从二元混合物的化学结构预测出混合物的热力学性质，生成相图来确定稳定性区域。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。

·MS. DPD   [PDF资料下载]
耗散粒子动力学（Dissipative particle dynamics，DPD）是一款介观尺度的模拟程序，它提供流体动力学算法，能在较大时间和空间尺度上对粗粒度系统进行模拟计算研究。它采用周期性边界条件使得模拟更加有效；可以使用平面墙来研究体系受限所带来的影响，而Lees-Edwards周期边界可以用来模拟体系的剪应力过程。同时可以得到界面张力和临界胶束浓度等，也可以通过可视化界面或者数值结果来进行分析。应用DPD程序可以对各式各样、形状各异的介观高分子体系进行模拟计算，同时可以对纳米碳管等刚性体系进行模拟计算。

·MS. MesoDyn  [PDF资料下载]
MesoDyn是一款采用平均场密度泛函理论方法的介观尺度模拟程序，可用来研究跨越长时间过程的大体系，比如复杂流体的动力学性质、平衡态结构等。此方法使用源自化学组分梯度和朗文噪音的组分密度场方法。体系的微相分离、胶束和自组装过程都可以使用MesoDyn程序进行研究。固定几何结构的剪应力和受限影响都可以进行研究。 MesoDyn的应用包括：涂料，化妆品，共混材料，表面溶剂，复杂药物传输以及其它领域。

·MS. MesoPro  [PDF资料下载]
MesoPro是一个预测具有多组分纳米结构材料宏观性质的新工具，可以对聚合物、表面活性剂和连续相进行研究，从而应用于表面涂层、粘合剂、密封剂、人造橡胶、水泥、复合材料、凝胶和层压板材料等的开发工作。作为一个可以将纯组分和复杂混合物的性质联系起来的研究工具，MesoPro可应用于诸多体系的配方设计和模拟研究，比如嵌段共聚物、聚合物表面活性剂、纳米结构共混体系以及膜界面等。

定量结构-性质关系
·MS. QSAR   [PDF资料下载]
QSAR模块是一个功能全面的工具集，用于在实验信息(“性质”)和分子水平特征(“描述符”)之间产生统计回归数学模型。这个数学模型可以用于对未知材料性质的预测：通过对分子的描述符（包括那些处理条件和配方数据的描述符）进行计算，从而在性质和描述符之间建立函数关系。同时，允许用户研究训练集的描述符和性质之间的差异性和相关性。QSAR的描述符包含的范围很广，其中包括Forcite、VAMP和FAST描述符。这些描述符使得材料的各种性质得以精确模拟。除了基本的统计算法，还可以使用灵活的遗传算法（GA）。遗传算法是一个用于处理多变量、多描述符的理想方法，在处理大数据集的时候有着很高的价值和效率。此方法使用“适者生存”的理论来进行工作：那些对性质有影响的描述符可以进入到下一代中，而没有影响的则消亡。保留下来的正交描述符会产生更高精确度的模型。该模块能够使用Perl Script功能编译。

·MS. QSAR Plus   [PDF资料下载]
在MS QSAR功能的基础上增加量化描述符以及神经网络算法。

·MS Dmol3 Descriptor  [PDF资料下载]
使用量子力学模块DMol3计算得到的分子和周期体系的描述符，进一步扩展了QSAR的研究范围。这些与反应性能相关的描述符包括原子的Fukui函数描述符，它可用来描述单个原子亲电性、亲核性以及对自由基反应的敏感程度；周期体系描述符包括晶格能和态密度描述符，能够很好地表征晶体的相关性质。#p#page_title#e#
Materials Studio 模拟软件与 Pipeline Pilot流程处理平台的整合

·Pipeline Pilot 简介  [PDF资料下载]
在现实研究工作中，很多时候我们需要处理大量的数据，尤其是在某些领域，需要处理的数据量每十二个月就会翻一倍，这就对数据的收集、管理、分析与有效利用带来极大挑战。Pipeline Pilot 就是应运这个要求而诞生的一种数据流管理平台.  

 图示：Pipeline Pilot工作流程示意图   
 

      总的来说，Pipeline Pilot可以应用于化学信息学、生物信息学以及材料科学等诸多能产生海量数据的工业企业与科研部门，这是由于Pipeline Pilot能够帮助我们高效地完成很多工作： 

1． 数据信息的获得、处理与加工：Pipeline Pilot包含多个材料科学组件、数据分析和统计建模组件、图像处理组件以及文本信息处理组件，能够完成对模型体系的从量子力学、分子力学到晶体结构分析以及结构-性质关系等一系列的模拟计算，获得大量数据结果，并能在此基上完成筛选、分析、处理等一系列流程化工作； 

2． 数据处理报告的规范化与科学化：Pipeline Pilot同时包含有多种数据报告组件，可以为客户定制数据分析和数据挖掘流程的总结报告，报告中可以现实多个表格、曲线图和图像，从多个角度对数据进行观察，用客户认为最好的方式来显示数据和分析结果，便于阐述、存档、管理与共享； 

3． 最大限度资源的整合与共享：Pipeline Pilot包含有集成组件，能够使它与现有的计算资源集成在一起，能够把外部的应用程序和数据库无缝链接到Pipeline Pilot的任何数据处理流程中，同时PP支持与第三方分子模拟设计软件Materials Studio、Discovery Studio联合使用，并能以多种方式实现资源共享，比如三种客户端模式(网页客户端、Lite客户端和标准客户端)和多用户网页共享模式。这种资源整合与共享能够最大限度有效地利用现有资源，避免资源重置和浪费，降低成本，提升客户的创新能力和竞争力； 

4． 工业企业或者研究部门的信息管理平台：Pipeline Pilot能够方便地建立不同的协议来实现不同部门人员的登录，并通过对数据库的实时存储、管理和查询，实现对工业中海量信息资源最有效的利用，从而大大提高工业企业和研发部门的整体工作效率。

MCC(Materials Components Collection)是Pipeline Pilot中的材料研究组件；4.2版本的MCC可以调用Materials Studio中DMol3，Forcite，，VAMP，QSAR，Reflex，Reflex QPA等模块的功能，同时也可以使用Perl Scripting功能。通过在PP中调用MCC4.2可以实现研究工作的流程化，提高工作效率，使计算流程合理化，科学化和效率化。
 
·Perl Scripting   [PDF资料下载]
Perl Scripting功能：Materials Studio模拟平台加进了Perl语言编译功能，提供了便捷易用的界面，使用者可以根据研究课题的不同特点非常高效地编译出理想的计算程序；这些计算程序简洁快速地调用Materials Studio分子模拟平台的各个功能模块的关键词，即使对Perl语言不精通的使用者也能很快上手使用该项功能。编译好的计算程序，不仅可以在本地平台上运行，也可以提交到远程服务器上运行。该功能的引入不仅使得使用者了解Materials Studio软件的内部运行机制，也方便了使用者做更多的个性化设置，发挥出Materials Studio分子模拟平台更多的技术潜力。Perl Scripting的界面如下：

图一、perl脚本编辑界面

图二、使用perl编辑计算整个分子势能面的脚本

图三、通过运行perl脚本得到的水分子在不同键长，键角下得能量值，以及相对应的模型 #p#page_title#e#

系统要求

A  客户端PC机系统要求：