Materials Studio 6.0 初级培训班讲义
计算机在材料科学中的应用Materials Studio6.0 基础知识
计算机在材料科学与工程中的应用Materials Studio 6.0基础知识实验报告课程号： 113191510任课教师：学号：实验一 第一性原理计算1. 实验目的(1) 掌握第一性原理和密度泛涵的计算方法； (2) 学会使用Visualizer 的各种建模和可视化工具； (3) 熟悉CASTEP 模块的功能。
2. 实验原理CASTEP 是基于密度泛涵理论平面波赝势基础上的量子力学计算。
密度泛涵理论的基本思想是原子、分子和固体的基本物理性质可以用粒子密度函数进行描述。
可以归纳为两个基本定理：定理1：粒子数密度函数是一个决定系统基态物理性质的基本参量。
定理2：在粒子数不变的条件下能量对密度函数变分得到系统基态的能量。
不计自旋的全同费米子的哈密顿量为：H T U V =++其中动能项为：()()T d r r r ψψ+=∇∇⎰库仑作用项为：11'()(')()(')2'Ud rd r r r r r r r ψψψψ++=-⎰V 为对所有粒子均相同的局域势u(r)表示的外场影响：()()()V dru r r r ψψ+=⎰粒子数密度函数为：()()()r r r ρψψ+=ΦΦ对于给定的()r υ，能量泛函[]E ρ定义为：[]()()E dr r r T U ρυρ=+Φ+Φ⎰；[]F T U ρ=Φ+Φ系统基态的能量：'''''[]''''[][]()()[][]()()[]E T U V G EF d r r r EG G F d r r r E G ρρυρφρυρρΦ=Φ+Φ+ΦΦ==+>⎰=+=⎰3. 实验内容实验 1. 材料的电子结构计算；实验 2. 晶体材料的晶格[点阵]参数预报（要求材料体系为金属合金、化合物半导体或有机高分子材料）；4. 实验设备和仪器(1) 硬件：多台PC 机和一台高性能计算服务器。
Materials Studio6.0宣讲
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式 单 此 编辑 Materials i 版 S 本样式 Studio i 第二级 多尺度多功能分子模拟软件 第三级 第四级 第五级虚拟 “实验”（分子模拟技术）C R E A T V I T Y决定依据单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式虚拟设计表征材料结构，以及与结构相关的性质 —— 解释 设计材料结构，以及与结构相关的性质 —— 预测Materials Studio™是整合的计算模拟平台• 可兼顾科研和教学需求 • 可在大规模机群上进行并行计算 在大规模机群上进行并行计算 • 客户端-服务器 计算方式 – Windows, Linux – 最大限度的使用已有IT资源 • 包含多种计算方法 – – – – – – – – DFT及半经验量子力学 线形标度量子力学 分子力学 QM/MM方法 介观模拟 统计方法 分析仪器模拟 …… • 全面的应用领域- 固体物理与表面化学 - 催化、分离与化学反应 - 半导体功能材料单击此处编辑母版标题样式 - 金属与合金材料- 特种陶瓷材料 特种 瓷 - 高分子与软材料单击此处编辑母版副标题样式- 纳米材料 - 材料表征与仪器分析 - 晶体与结晶 - 构效关系研究与配方设计 - ……Materials Studio™单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式• 多尺度，应用领域全面Materials Studio™分子力学、动力学 介观动力学 •Forcite p plus 量子力学 力学 • Gulp • MesoDyn • Castep • COMPASS • Mesocite • Dmol3 • Amorphous Cell • Onetep O t •Sorption • Qmera •VAMP单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式 Materials M t i l Visualizer Vi li• Reflex plus • Xcell • Polymorph Predictor • Morpholog 晶体学 • QSAR 构效关系•操作简便----方便的参数设置Menu Toolbar单击此处编辑母版标题样式 PropertyView单击此处编辑母版副标题样式Job s status usProjectMaterials Studio在科研领域的贡献从 2006 年至 2012 年，全球各地科学家使用 年 全球各地科学家使用 Materials M i l Studio S di 在顶级期刊上发表了近 7000 篇论文，包括像 Nature 、 Science 、Nature Materials、Nature Chemistry、PNAS 、Progress in Surface Science 、Small、Physical Review Letters 、Applied Physics y Letters、Phil. Trans. Royal y Soc. A、Nanotechnology gy 、ACS Nano 、J. Am. Chem. Soc.、Proc. Nat. Acad. Sci.、 Physical Review A 、Physical Review B、J. Appl. Phys. 、 单击此处编辑母版副标题样式 Journal of f Chemical C Physics 、 Chemical C Physics Letters 、 Nature Nanotechnology 、 Chemical Society Reviews 、 Nanoscale Research Letters、Nanoscale等知名期刊。
[计算机软件及应用]吉林大学MaterialsStudio60培训资料
![[计算机软件及应用]吉林大学MaterialsStudio60培训资料](https://img.taocdn.com/s3/m/c17ad75d7fd5360cbb1adb0d.png)
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剪切速度要适当： • 太小，剪切应力小，计算得到的剪切粘度会产
生很大的统计误差； • 太大，则会出现非线性效应，如剪切稀化、粘
滞发热。 • 难以得到零剪切速率粘度
Forcite Plus
• NHL：增加了新的控温函数Nosé-Hoover-Langevin（NHL），在恒温器变量中引 入摩擦项和噪音项，比Nosé方法有更快的收敛速度，更好的温度稳定性。
二次方项
Morse
∑ +
qiq j
εr pairs(i, j) ij
i< j
三次方项
二次方项拟合区 三次方项拟合区
力场
• 分子可以用一系列带电点(原子)来描述，之间由弹簧连接(键)
单击此处编辑母版标题样式
• 对于该单体系击的数此学处描述编，辑就是母我们版所副说的标力题场 样式
• 力场被用来计算分子的相对势能(相对于同样分子的其它构型)
单击分子此力处学编、分辑子母动版力学标模题块的样式
更新及案例 单击此处编辑母版副标题样式
分子力学方法
n 使用球和弹簧来描述原子之间所成的共价键
n 包括非键Van der Waals作用和静电相互作用
单击此处编辑母版标题样式 n 通过实验手段和/或QM计算来获取相关参数
n 通常与动力学、结构优化或者蒙特卡罗方法联
重要。 单击此处编辑母版标题样式
虽然在水分扩散特性方面已经很多分子动力学的研究工作报道，但是水分-热
老化条件都没有单考虑击，而此且处水汽编肿胀辑现象母也没版有副动力标学的题研究样结式果。基于此，研究
人员利用分子动力学研究了在不同温度、湿度条件下环氧体系的水汽扩散及肿胀应 变，并与实验结果相对比。
Materials Studio软件简介及基本操作PPT课件
目前，已成为与实验研究、理论研究具有同样重要地位 的研究手段。
哈勃望远镜观察到的宇宙
三体-该片根据刘慈欣同名小说改编，讲述了在红岸基地人类文明初次向宇宙 发出啼鸣后，开启了与计划殖民地球的三体文明间生存之战
诺贝尔化学奖得主（自左向右）：亚利耶·瓦谢尔、马丁·卡普拉斯和迈克尔·莱维特。
随着科学技术的不断发展，科学研究的体系越来越复杂， 理论研究往往不能给出复杂体系解析表达，或者即使能够给 出解析表达也常常不能求解，传统的解析推导方法已不敷应 用，也就失去了对实验研究的指导意义。反之，失去了理论 指导的实验研究，也只能在原有的工作基础上，根据科研人 员的经验理解、分析与判断，在各种工艺条件下反复摸索， 反复实验，最终造成理论研究和实验研究相互脱节。
分子力学中用力场来描述分子中各原子间的相互作用。 所谓力场是指描述各种形式的相互作用对分子能量影响的函 数，其有关参数、常数和表达式通常称为力场。
一般力场的表达式为:
E E str e E b tc e h n E td or E svio d E n w el e .c ......
Estretch. 为键的伸缩能; E bend . 为键的弯曲能，二者均采用谐振子模型；
最后可以对轨迹进行各种结构、能量、热力学、动力学、 力学等的分析。
④ 耗散动力学方法 1992年，Hoogerbrugge和Koelman提出了一种新型分子模拟
方法，他们把分子动力学与格子气体自动控制方法有机地结合起 来，提出了针对复杂流体介观层次上的模拟方法，被称为耗散粒 子动力学(DPD)方法。通过保留体系运动方程积分的主要部分而 首先积分出最小的空间自由度，找到了一个能够在介观的时间与 空间尺度上模拟复杂流体的方法。在DPD体系中，珠子通过软势 与其它珠子之间发生相互作用，其中每一个珠子表示体系中的一 个小区域。并假设其运动遵从牛顿定律，即珠子上的合力为其直 接相互作用及它与其它珠子之间的耗散力和随机力之和。通过对 其运动方程积分，得到体系的动力学行为沿着一个通过相空间的 抛物线运动，利用柔性(soft)势能函数进行能量计算，平衡性质可 由沿该轨迹作适当平均计算得出。
Materials-Studio培训学习教程资料
Materials-Studio培训学习教程资料MaterialsStudio 培训学习教程资料在当今科技迅速发展的时代，材料科学的研究和应用变得越来越重要。
而 MaterialsStudio 作为一款功能强大的材料模拟软件，为科研人员和工程师提供了有力的工具。
对于想要深入学习和掌握这款软件的人来说，一套系统全面的培训学习教程资料是必不可少的。
首先，我们来了解一下 MaterialsStudio 软件的基本情况。
它涵盖了众多的模块，能够对材料的结构、性能、热力学等方面进行精确的模拟和分析。
无论是在化学、物理、材料科学还是工程领域，都有着广泛的应用。
那么，一份好的 MaterialsStudio 培训学习教程资料应该包含哪些内容呢？基础知识部分是重中之重。
这包括软件的安装与配置，让学习者能够顺利地在自己的电脑上搭建起学习和工作的环境。
同时，要详细介绍软件的界面和操作流程，让初学者能够快速熟悉各个功能区域和操作按钮。
对于材料结构的建模，教程资料应当有清晰的步骤和示例。
从简单的晶体结构构建，到复杂的分子体系建模，都要逐步引导学习者掌握。
并且，要讲解如何优化模型结构，以获得更准确的计算结果。
在性能计算方面，要涵盖诸如能带结构、态密度、光学性质等重要内容。
通过实际案例，演示如何设置计算参数，解读计算结果，并分析材料的性能特点。
热力学性质的计算也是不可忽视的一部分。
比如，相图的绘制、热膨胀系数的计算等，这些内容对于研究材料的稳定性和相变过程具有重要意义。
除了理论知识和操作方法，实际案例的分析也是教程资料的关键组成部分。
通过实际的科研项目或工程应用案例，让学习者能够看到MaterialsStudio 在解决实际问题中的强大能力。
同时，也能帮助他们更好地理解和运用所学的知识。
为了让学习者更好地掌握所学内容，教程资料还应当配备相应的练习和作业。
这些练习可以是针对某个具体知识点的小题目，也可以是综合性的项目，让学习者在实践中巩固和提高。
中科大 Materials Studio 培训教程 2包你学会!
此区域的 原子和键 都被选中
* 在结构中的某个原子或键上双击鼠标可以选择整个结构。 * 在3D Viewer 上无TON 结构的地方单击或双击鼠标，则取消对象的选择。 * 需要将结构保存为project的一部分时，单击3D Viewer 的 ，再按 Yes 按钮。 * File / Save Project ，Windows / Close All
生成了名称为My Quickstart 的Project
3. 恢复project 的默认设置（初学者不要做此操作） 本教学过程中，每一个新的 project 都使用 Materials Studio 自动产生的
template project 的设置。保证 My quickstart project 也一样。
Atom 栏：用 Line、Stick、Ball and stick、 CPK和 Polyhedron display styles 显示 zeolite Theta-1 的结构。最后将显示方式改为 CPK 。
Line
Stick
Ball and stick
CPK
Polyhedron
Lattice 栏： Display s t y l e :显示单个晶胞或者原胞。 Range：显示在X、Y、Z 方向上晶胞的数量。 Lattice :显示晶胞边界的风格。
选择 File / Save 或单击工具栏上的 Save button 中建立了新的 my_benzamide.xsd 3D文件。
。这样就在my quickstart project
2 . 设置球棍模型为默认显示方式 从菜单栏中选择 Modify / Default Atom Style ，打开 Default Atom Style 对
Materials Studio初级入门
Ω i
]
•对于基态的计算很准确 •需要Exc近似
Local Density Approximation (LDA)
“Nearsightedness of electrons“
dr2
实际上，波函数被表现为某些粒子的函数
Erwin Schrödinger
Ψ ({ri }) = F [{Φ i }]
Werner Heisenberg
相互作用粒子: QM 近似方法
Ψ ({ri }) = F [{Φ i }]
Hartree 近似 X-α 方法
Hartree-Fock理论
半经验 方法
密度泛函理论
Exc ≈ ∫ ρ(r) ε o ρ(r)]dr xc [
ρ2
dr1
ρ1
LDA 适合的体系:
(1) 密度变换比较缓慢的体系 (例如金属体系) (2) 高密度体系 (例如过渡金属) (3) 大多数结构优化过程 LDA 不适合的体系: (1) 对电子非常少的体系 (例如化学反应中的过渡态) (2) 对于结合能的绝对值
CASTEP: 控制参数 Setup tab
• 工作类型: Energy, Geometry Optimization, … • 全局精度控制 • 交换-相关泛函: LDA 、 GGA • 自旋极化 • 带电体系 (加入或者移除电子)
CASTEP: 控制参数 Electronic tab
全局控制: • Energy cutoff: 控制对实空间描述 （将波函数向平面波展开） • SCF 精度 • K-points • 赝势 更多设定…
Materials Studio6.0宣讲.
单击此处编辑母版标题样式单M击此at处e编ri辑al母s 版S文tu本d样io式 多尺度多功第 第能二 三分级 级子模拟软件第四级 第五级虚拟 “实验”（分子模拟技术）决定依据CREA T单击此处编辑母版标题样式VIT 单击此处编辑母版副标题样式Y虚拟设计表征材料结构，以及与结构相关的性质 —— 解释 设计材料结构，以及与结构相关的性质 —— 预测Materials Studio™是整合的计算模拟平台• 可兼顾科研和教学需求 • 可在大规模机群上进行并行计算• 全面的应用领域- 固体物理与表面化学• 客户端-服务器 计算方式- 催化、分离与化学反应单击此处编辑母版标题样式 – Windows, Linux– 最大限度的使用已有IT资源 • 包含多种计算方法- 半导体功能材料 - 金属与合金材料– DFT及半经验量子力学 – 线形标度量子力学- 特种陶瓷材料– – –Q分 介M子 观/M力 模M学 拟方单法 击此处编辑母版--副纳高米分标材子题料与软样材式料– 统计方法 – 分析仪器模拟 – ……- 材料表征与仪器分析 - 晶体与结晶- 构效关系研究与配方设计- ……Materials Studio™单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式•多尺度，应用领域全面Materials Studio™分子力学、动力学量子力学 •Forcite plus 介观动力学• Castep• Gulp• MesoDyn• Dmol3• COMPASS • Mesocite单击此处编辑母版标题样式 • Onetep• Qmera• Amorphous Cell •Sorption•VAMPM单ate击ria此ls处Vis编ua辑liz母er 版副标题样式• Reflex plus • Xcell • Polymorph Predictor • Morpholog晶体学• QSAR 构效关系•操作简便----方便的参数设置MenuToolbar单击此处编辑母版标题样式 Property View 单Pr击ojec此t 处编辑母版副标题样式Job statusMaterials Studio在科研领域的贡献从2006年至2012年，全球各地科学家使用Materials Studio在顶级期刊上发表了近7000篇论文，包括像Nature、Science单击此处编辑母版标题样式 、Nature Materials、Nature Chemistry、PNAS 、Progress inSurface Science 、Small、Physical Review Letters 、AppliedPhysics Letters、Phil. Trans. Royal Soc. A、Nanotechnology、ACS Nano 、J. Am. Chem. Soc.、Proc. Nat. Acad. Sci.、Physical JournaloRf 单eCvhie击ewm此iAca处、l PP编hhyy辑ssiiccs母a、l 版RCehv副eimew标icaB题l 、P样Jh.ys式Aicpspl.LePthteyrss.、 、Nature Nanotechnology 、 Chemical Society Reviews 、Nanoscale Research Letters、Nanoscale等知名期刊。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
简介
Materials Studio是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上
的模拟软件。
它可以帮助你解决当今化学、材料工业中的一系列重要问题。
支持Windows 98、2000、NT、Unix以及Linux等多种操作平台的Materials Studio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。
多种先进算法的综合应用使Materials Studio成为一个强有力的模拟工具。
无论构型优化、
性质预测和X射线衍射分析，以及复杂的动力学模拟和量子力学计算，我们都可以通过一些简单易学的操作来得到切实可靠的数据。
Materials Studio软件采用灵活的Client-Server结构。
其核心模块Visualizer运行于客户端PC，支持的操作系统包括Windows 98、2000、NT；计算模块（如Discover，Amorphous，Equilibria，DMol3，CASTEP等）运行于服务器端，支持的系统包括Windows2000、NT、SGIIRIX以及Red Hat Linux。
浮动许可（Floating License）机制允许用户将计算作业提交到网络上的任何一台
服务器上，并将结果返回到客户端进行分析，从而最大限度地利用了网络资源。
任何一个研究者，无论是否是计算机方面的专家，都能充分享用Materials Studio软件所带
来的先进技术。
Materials Studio生成的结构、图表及视频片断等数据可以及时地与其它PC
软件共享，方便与其他同事交流，并能使你的讲演和报告更加引人入胜。
Materials Studio软件能使任何研究者达到与世界一流研究部门相一致的材料模拟的能力。
模拟的内容包括了催化剂、聚合物、固体及表面、晶体与衍射、化学反应等材料和化学研究领域的主要课题。
创腾科技有限公司成立于2000年初，是业界领先的以面向生命科学和材料科学领域，系统提供综合研发信息化平台的高技术企业。
作为一家业界领先的信息技术公司，创腾科技可以为生命科学和材料科学的用户，提供包括计算模拟与业务智能、研发信息调研与管理和实验室信息化等三大信息化平台的综合解决方案和服务，提升这些用户在研发领域的管理、决策和创新能力。
创腾科技与国际上在业界领先的著名信息技术公司拥有长期而紧密的合作关系，并拥有业界最先进的开发平台和较强的研发能力，能够为中国的企业和科研机构提供当前世界上最先进的信息技术解决方案和服务。
作为一家高科技企业，创腾科技80%以上的员工拥有硕士或博士学位，创腾科技所拥有的高素质人才和经验丰富的管理团队，能够保证创腾科技向用户提供一流的技术支持和服务。
现在，在中国已有超过500家的单位得到了创腾科技所提供的产品和服务，其中包括国内最大的制药企业，最大的新药研发外包企业、最大的石化企业以及主要的高校和科研单位等。
利用信息技术，推动研发、管理和决策模式的变革和创新，是创腾科技努力的目标。
创腾科技愿意为提高中国科研机构和企业的创新能力与核心竞争能力，做出自己的贡献。