Materials Studio学习笔记（一）——Materials Studio软件介绍

视频原链接：https://space.bilibili.com/677482886?spm_id_from=333.1387.follow.user_card.click

月只蓝的视频内容较为基础，适合初学者入门。

UP主页链接为： http:// https://b23.tv/TFdT21V

1 Materials Studio软件介绍

Materials Studio是由美国BIOVIA公司开发，主要用于材料的仿真和模拟，适用的范围包括原子、分子、以及宏观尺度的研究。支持量子力学、晶体预测、蒙特卡洛模拟以及介观模拟等方面。

Materials Studio软件已经在材料科学领域有多方面的应用：包括在电池领域锂离子正负极材料；在高分子材料领域包括聚合物力学性能、玻璃化转变温度（Tg）、相容性；在纳米材料领域中研究碳纳米管、石墨烯、量子点的电子与光学性质；在半导体和光电材料中应用于能带工程、载流子迁移率、激子效应；在催化材料领域应用于活性位点分析、反应路径优化等。

Materials Studio软件的界面较为友好，能够完成多尺度的模拟，涵盖了从电子结构到分子动力学，再到介观模拟的全链条研究。

2 分子模拟学

2.1 分子模拟简介

分子模拟的定义：分子性质的计算机模拟，简称为分子模拟。

分子模拟的对象：模型，即原子、分子、离子，以及它们的组合体。

分子模拟的目的：获得模型的物理、化学性质。

分子模拟的实现：量子力学、分子力学、分子动力学、耗散例子动力学‘、介观动力学。

2.2 分子模拟的尺度

分子模拟的尺度可以分为微观尺度和介观尺度。

在时间尺度上：

在上图中，各个符号的的意义为：

• ms：毫秒；
• us：微秒；
• ns：纳秒；
• ps：皮秒；
• fs：飞秒；

在时间尺度上，量子力学约为阿秒（秒）到皮秒（秒）之间，分子动力学约为飞秒（秒）到微秒（秒）之间，介观动力学的范围为是在纳秒()到秒之间，

在空间尺度上：

在上图中，各个符号的意义为：

• nm：纳米；
• um：微米；
• mm：毫米；
• m：米；

在空间尺度上，纳观的典型尺度为0.1~100nm，主导的物理定律是量子力学；介观的典型尺度为100nm~100um，主导的物理定律是经典物理；微观的典型尺度为100nm~1um，主导的物理定律量子-经典过度；宏观的典型尺度大于1mm，主导的物理定律是经典力学/热力学。

2.3 经典的分子模拟过程

经典的分子模拟过程可以分为如下几步：

• 构建模型
• 设计计算参数
• 运行计算
• 分析和展示计算结果

完成了上述四个步骤，既可以完成一次分子模拟过程。

2.4 选择模型

选择模型的过程是分子模拟中重要的过程，直接影响模拟结果。

2.4.1 更具自己研究的需求、期望获得的结果

Materials Studio模块的类型，可以分为5个大类：量子力学模块、分子力学模块、蒙特卡洛模块、粗粒化或介观类模块。每个模块都有其他模块没有的、特定的功能。例如：

• 能带、态密度->量子力学类的模块：CASTEP、。
• 经典势图-> 量子力学的模块：。
• 晶体形貌->晶体学模块：Morphology。
• 结合能、吸附能->或CASTEP或Forcite。
• 力学性质、弹性常数->或CASTEP或Forcite。

2.4.2 根据自己构建模型的尺寸，原子数来构建模型

当模型较小时，可以使用量子力学模块（数十个或者数百个例子）；当模块中等大小，包含数千数万个原子，可以使用分子力学的模块；当模块较大，包含大量的原子（数万个乃至更多）可选择结合能、介管模型类模块。

2.4.3 根据模拟的过程是否涉及到电子的得失和转移

涉及电子的得失和转移的过程，例如化学机理研究、过渡态搜索，应当选择量子力学的模块。

分子力学理论本身构建的思想，就是要舍弃那些“数目庞大、行为复杂，却微不足道”的电子，所以从基本理论上，就决定了分子力学类的模块，不具备考察电子行为的能力。

2.4.4 根据模拟对立场的要求

分子类模型的计算速度较快，而且计算精度尚可，应用非常广泛。

但是，分子力学模块有很大的局限性，就是力场，更确切地说，是力场的适用性，力场是分子力学计算的基础，模型中任何一个原子力场参数的缺失，都会导致计算失败。遗憾的是，目前还没有哪个力场，其适应性足以涵盖绝大多数原子、离子、官能团、粒子团。

如果找遍了各类力场，还是无法获得对自己研究的模型具有完整适应性的力场，此时可以考虑转向量子力学类的模块。

2.4.5 根据已有的文献报告

当研究与现有文献相似时，借鉴文献作者对于MS模块的选用结果。官方网站为MS官方网站，认识MS发挥MS的优势，高度继承性实现多模块协作。