實驗1：Materials_Studio軟件簡介及基本操作要點

1、計算材料學實驗講義實驗一：MaterialsStudio軟件簡介及基本操作一、前言1.計算材料學概述隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，科學研究的體系越來越復雜，理論研究往往不能給出復雜體系解析表達，或者即使能夠給出解析表達也常常不能求解，傳統(tǒng)的解析推導方法已不敷應用，也就失去了對實驗研究的指導意義。反之，失去了理論指導的實驗研究，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摸索，反復實驗,最終造成理論研究和實驗研究相互脫節(jié)。近年來，隨著計算機科學的發(fā)展和計算機運算能力的不斷提高，為復雜體系的研究提供了新的手段。在材料學領(lǐng)域，隨著對材料性能的要求不斷的提高，材料學研究

2、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，計算材料學應運而生,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。計算材料學是材料科學與計算機科學的交叉學科，是一門正在快速發(fā)展的新興學科，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)計的學科，是材料科學研究里的“計算機實驗”。計算材料學主要包括兩個

3、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，預測或設(shè)計材料結(jié)構(gòu)與性能。計算材料科學是材料研究領(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。計算材料學的發(fā)展是與計算機科學與技術(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，如材料的量子力學計算等，現(xiàn)在使用微機就能夠完成，可以預見，將來計算材料學必將有更加迅速的發(fā)展。另外，隨著計算材料學的不斷進步與成熟，材料的計算機模擬與設(shè)計已不僅僅是材料物理以及材料計算理論學家的熱門研究課題，

4、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用成為現(xiàn)實。因此，計算材料學基礎(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)分為量子力學層次、統(tǒng)計力學層次、介觀層次和宏觀層次，主要包含量子力學方法、半經(jīng)驗分子軌道方法、密度泛函理論、分子力學方法、分子動力學方法、MonteCarlo方法、耗散動力學方法、介觀動力學方法、有限元方法、有限差分方法等。(/)cooszLIOforbulkmaterialsProcessingsimulationContinuummechanicsfo

5、rmodelingmaterialsMolecularmechanicsormoleculardynamicsformoleculesoratomsQuantummechanics*Molecularmodelingforelectrons10wm10m107mSpace10m10m計算機模擬技術(shù)的層次分布圖密度泛函理論量子力學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，利用量子力學原理和必要的數(shù)學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，

6、它改變了以往其他量子化學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，Hohenberg-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)，如何確定動能泛函，如何確定交換關(guān)聯(lián)能泛函；對于問題、，W.Kohn和L.J

7、.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(LocalDensityApproximation，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=Ep(r)+Ep(r)1+Etp(r)1+Etp(r)TVJXC式中，Ep(r)為經(jīng)典動能項

8、，Eb(r)包括核與核的排斥勢能和核與電子的吸引能，Eb(r)TVJ是電子間的靜電庫侖相互作用勢，Ep(戸是交換關(guān)聯(lián)能。Eb(戸又可分為兩部分，即交XCXC換積分項和相關(guān)積分項，分別對應于同自旋與混合自旋的相互作用Exc(p)=Ex(p)+Ec(p)式中，Exc(p)、Ex(p)、EC(p)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p有關(guān)的局域函數(shù)，另一部分是和p與Ap都有關(guān)的梯度函數(shù)。分子力學方法分子力學以分子模型為基礎(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

9、值點和相應的分子構(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=E+E+E+E+E+stretchbendtorsionvdwelec式中，E.為鍵的伸縮能，E為鍵的彎曲能，二者均采用諧振子模型；E.為鍵的stretch

10、bendtorsion扭曲勢，它采用傅立葉級數(shù)形式來描述；E、E為非鍵作用項，分別表示范德華相互作用vdwelec和靜電相互作用。分子動力學方法分子動力學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)(many-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)典力學或量子力學描述的規(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)的熱力學參數(shù)、結(jié)構(gòu)和輸運特性等。其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

11、標溫度根據(jù)Boltzmann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、動力學、力學等的分析，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。耗散動力學方法1992年，Hooger

12、brugge和Koelman提出了一種新型分子模擬方法，他們把分子動力學與格子氣體自動控制方法有機地結(jié)合起來，提出了針對復雜流體介觀層次上的模擬方法，被稱為耗散粒子動力學(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)

13、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)引入了非常“軟”的粒子間相互作用勢，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，因此滿足牛頓第三定律，從而整個體系的動量是守恒的。引入的這個熱浴，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

14、點對于復雜流體的動力學是非常重要的。3.MaterialsStudio軟件介紹MaterialsStudio軟件包由美國Accelrys公司出品，是專門為材料科學領(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、分子力學、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、化學反應等材料和化學研究領(lǐng)域的一系列重要問題。MaterialsStudio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用于石化、化工、制藥、食品、石油、電子、汽車和航空航天等

15、工業(yè)及教育研究部門。MaterialsStudio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，MaterialsStudio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。COMPASS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?？梢栽诤艽蟮臏囟取毫Ψ秶鷥?nèi)精確地預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

16、：軟件分子力學計算引擎。使用多種分子力學和動力學方法，以仔細推導的力場作為基礎(chǔ)，可準確地計算出最低能量構(gòu)型、分子體系的結(jié)構(gòu)和動力學軌跡等。AmorphousCell模塊：允許對復雜的無定型系統(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（DFT）量子力學程序，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)化量子力學程序，應用于化學、材料、化工、固體物理等許多領(lǐng)域?？捎糜谘芯烤啻呋?、多相催化、半導體、分子反應等，也可預測諸如溶解度、蒸氣壓、配分函數(shù)、溶

17、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：先進的量子力學程序，廣泛應用于陶瓷、半導體以及金屬等多種材料?？裳芯浚壕w材料的性質(zhì)（半導體、陶瓷、金屬、分子篩等）、表面和表面重構(gòu)的性質(zhì)、表面化學、電子結(jié)構(gòu)（能帶及態(tài)密度、聲子譜）、晶體的光學性質(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）、成分無序等。可顯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（Dissipativeparticledynamics，DP

18、D）是對包括全部流體動力學相互作用流體粒子體系進行模擬的動力學程序。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?？梢允褂闷矫鎵硌芯矿w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)

19、的剪應力和受限影響都可以進行研究。MesoDyn的應用包括：涂料，化妝品，混合聚合材料，表面溶劑，復雜藥物傳輸以及其它領(lǐng)域。此外，MaterialsStudio軟件還包括Reflex（晶體衍射）、Sorption（吸附）、Forcite（經(jīng)典分子力學）、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、實驗目的（1）了解計算機在材料科學與工程領(lǐng)域的應用。（2）理解計算機模擬的概念、方法及基本原理。（3）掌握MaterialsStudio軟件的基本操作。三、實驗內(nèi)容創(chuàng)建工程泌梓

20、田$世令、雙擊：-，或者開始一所有程序一AccelrysMaterialsStudio一Materialsstudio；選擇Createanewproject，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Newprojecto(注意：新工程可保存在電腦上任意硬盤位置，但必須保證路徑全為英文，如D:fileNewproject)(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。從軟件數(shù)據(jù)庫中導入分子和晶體結(jié)構(gòu)(1)選擇菜單fileimport一structuresorganics-選擇benzene雙擊，即可導入苯的分子結(jié)構(gòu)，如下所示。

21、(2)運用工具欄。丁口可進行旋轉(zhuǎn)、放大、更改顯示方式等操作。例如點擊1,(或者鼠標放在分子處右擊，選擇DisplayStyle)，出現(xiàn)如下對話框:(3)選擇ballandstick，相應的結(jié)構(gòu)以球棍形式顯示，如下圖所示:NoneStickCPKHelpAtomDisplaystyleColoringCCustom:疋BondorderBallradius:QPolyhedronEditing:12atomsCPKscale:CLineLinewidth:|16IBallandsticHStickradius:麗aColorby:IElement(4)同樣的方法，可以從數(shù)據(jù)庫中導入聚合物、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filenew,選擇3DAtomistic，點擊確定。此時文件名出現(xiàn)在左側(cè)的ProjectExplorer中，名稱為3DAtomisticDocument，在其上單擊鼠標右鍵，選擇Rename改名為butane并進行保存。(2)選擇工具欄島丁山，選擇sketchatom