MaterialsStudio教程

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1、? I ? 目录目录 第第 0 章章 绪论绪论.1 0.1 计算机材料设计的概念1 0.2 计算机材料设计的发展1 0.3 计算机材料设计的途径2 第第 1 章章 快速启动教程快速启动教程.1 1.1 创建项目(Creating a project)1 1.2 打开、浏览 3D 文档.2 1.3 绘制苯甲酰胺(benzamide)分子4 1.4 用学习表文档进行浏览和工作8 1.5 研究分子晶体：尿素11 1.6 建立 -quartz 晶体12 1.7 建立聚甲基丙烯酸甲酯(methyl methacrylate)14 1.8 保存项目、结束本教程15 第第 2 章章 VISUALIZER 教

2、程教程16 2.1 项目管理16 2.2 绘制简单的分子21 2.3 绘制卟啉(porphyrin).30 2.4 绘制有机金属结构36 2.5 覆盖和对齐分子43 2.6 精确定位和移动原子46 2.7 在表面对接分子49 2.8 使用 polymer builder.54 2.9 使用 layer builder65 2.10 使用 crystal builder72 2.11 建立中尺度分子81 2.12 用 Analog Builder 枚举库.84 2.13 用等位面(isosurfaces)和切片工作(slices)88 2.14 域隔离和分析94 第第 3 章章 ADSORPTI

3、ON LOCATOR、BLENDS 教程教程99 3.1 用 Adsorption Locator 决定 SO2在 Ni(111)晶面上的位置 99 3.2 共混聚合物相容性筛选102 第第 4 章章 AMORPHOUS CELL 教程教程109 ? II ? 4.1 计算两种聚合物的可混合性109 4.2 使用限制性剪切协议114 第第 5 章章 CASTEP 教程教程.120 5.1 用第一性原理预测 AlAs 的晶格参数.120 5.2 在 Pd(110)表面 CO 分子的吸附126 5.3 使用 LST/QST 工具搜索过渡态136 5.4 计算 BN 的弹性常数144 5.5 预测锗

4、的热力学性质150 5.6 计算铁磁性铁的声子谱155 5.7 在 Pd(110)面上吸附 CO 后电荷密度的变化159 5.8 模拟 CO_Pd(110)体系的 STM 图163 第第 6 章章 DISCOVER 教程教程.167 6.1 金属氧化物中的原子定型167 6.2 聚合物与金属氧化物表面的相互作用169 6.3 使用 Discover 计算振动模式.177 6.4 测量气体在聚合物中扩散系数181 第第 7 章章 DMOL3教程教程.190 7.1 在 DMol3中使用离域内部坐标对固体进行几何优化.190 7.2 使用 LST/QST 工具搜索过渡态195 7.3 计算化学反应

5、的自由能201 7.4 使用 DMol3的 LST/QST 和 NEB 工具探索化学反应的最低能量路径.206 7.5 用 DMol3计算能带结构和态密度.213 第第 8 章章 FORCITE 教程教程219 8.1 氢在钨表面的物理吸附219 8.2 尿素的几何优化223 8.3 寻找分子在表面的低能结构228 8.4 使用 Materials Studio 编辑力场.237 第第 9 章章 REFLEX 教程教程247 9.1 用粉末衍射图工作247 9.2 粉末衍射图的指标化254 9.3 使用 X-Cell 指标化 4-nitrophenylhexylurethane.260 9.4

6、 无机物的 Rietveld 精修.266 9.5 有机物混合样品的定量相分析271 ? 1 ? 第 0 章 绪论 0.1 计算机材料设计的概念 所谓材料设计，是指通过理论上地计算来设计新型材料，并预测新材料的成 分、组织结构与性能，也可以认为是一种通过理论上的计算来设计具有特定性能 材料的方法。由于涉及的计算量非常大，通常需要在计算机环境下进行，因此也 可称为计算机材料设计。 传统的材料研究方法属于典型的实验研究，研究对象为人们在生产、生活中 以及特殊环境中使用的各种材料。研究方法一般是应用各种实验设备对材料的化 学成分、组织、结构、性能进行分析。因此，传统的材料研究不仅在实验过程中 要消耗

7、大量的实验材料和能源，同时需要大量的实验设备，其中许多实验设备是 非常昂贵的，比如扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、扫描透射电子 显微镜(STM)等，少则上百万元(人民币)，多则上千万元，这在很大程度上限制了 材料研究的发展。此外，传统的材料研究方法由于研究对象的复杂性，使其具有 很大的偶然性甚至是盲目性。 近年来，随着固体物理、量子化学、统计力学、计算方法等相关学科的发展， 以及计算机数据处理能力的空前提高，使计算机材料设计成为可能。其作用在材 料研究中越来越重要，直至不可或缺。相比于传统的材料研究方法，计算机材料 设计可以实现材料的“零消耗” ，这在资源日益紧缺的今天显得

8、相当重要，可以使 研究成本大大降低。同时，随着计算机运算速度的日益提高，利用计算机进行材 料设计的周期越来越短，效率极大地增加。计算机材料设计是以严格的理论为基 础的，因此在最大程度上消除了设计计算过程中的偶然性，使结果具有较高的可 信度。 0.2 计算机材料设计的发展 如前所述，计算机材料设计是以基础理论和计算机技术的发展为基础的，因 此，其发展在很大程度上受到上述学科发展水平的限制。 在 20 世纪 50 年代初期，前苏联便开展了有关合金设计以及无机化合物的计 算机预测研究。20 世纪 70 年代美国首次应用计算机设计方法开发了镍基超合金。 这一阶段可视为计算机材料设计的初始阶段。 到了

9、20 世纪 80 年代，计算机材料设计取得了重大进展。1985 年，日本出版 了新材料开发与材料设计一书，书中首次提出了“材料设计学”这一研究方 向。1988 年，日本科学技术厅组织功能性梯度材料的研究任务，提出将材料的设 计、合成、评估这三者结合起来，按预定要求做出材料。 1989 年美国出版了90 年代的材料科学与工程研究报告，对材料的计算机 分析与模型化进行了充分的论述。该报告认为，随着现代基础理论与计算机技术 ? 2 ? 的进步，材料科学与工程学科的性质也在发生变化。计算机分析与模型化的发展， 将使材料科学研究从定性研究阶段逐渐进入定量研究阶段。 在 1990 年和 1992 年，先后

10、召开了以计算机辅助设计新材料开发为主题的第 一、第二届国际会议，同时诞生了与材料设计有关的国际性杂志，如英国物理学 会的“Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering”和荷兰的 “Computational Materials Science”等。同时在日本的一些大学的材料系中开始设 置与材料设计有关的课程。在美国，美国国家标准和试验研究院、麻省理工学院 等研究院所和大学在材料设计方面作出了突出的贡献。 与国外相比，我国在计算机材料设计方面相对落后，但对材料设计重要性的 认识比较深刻，在“973 计划”设立了专题研究

11、方向，从 2000 年开始将材料设计 作为重大基础研究项目，并且把材料计算设计的研究正式列入了计划。在国内的 许多单位，如清华大学、北京大学、北京科技大学、中科院化学研究所、中科院 半导体研究所、钢铁研究总院等高校和研究单位都先后设立了计算机材料设计研 究方向，并招收硕士生和博士生。 0.3 计算机材料设计的途径 计算机材料设计主要是应用计算机技术对经验规律进行归纳或者应用第一性 原理进行计算(演绎)，更一般的情况是将两相互结合，互为补充。概括起来，计 算机材料设计的主要途径有以下几个： 一、计算机材料设计的知识库与数据技术 材料数据库一般应包括材料的性能及重要参数的相关数据、材料成分、材料

12、处理工艺、试验条件、材料的应用与评价等方面的内容。材料知识库则应包括材 料的成分、组织结构、加工工艺与材料的性能之间的关系，以及材料工程与科学 的有关理论。材料知识库的本质是计算机材料设计中的一系列数理模型，可用于 定量计算或半定量描述。比较而言，材料数据库存储的是具体的数据，只能进行 查询，不能进行推理或分析，而材料知识库存储的则是规则、规律等，通过数理 模型的推理或运算，可以给出所需的性能数据，也可以进行成分或工艺的计算设 计。利用数据库和知识库可以实现材料性能的预测或设计。 二、计算机材料设计的专家系统 计算机材料设计专家系统是指具有相当数量的材料方面的背景知识，并能运 用这些知识解决材

13、料设计中的相关问题的计算机程序。 ? 1 ? 第 1 章 快速启动教程 1.1 创建项目(Creating a project) 目的：介绍 Materials Studio(MS)中 project (项目)概念 模块：Materials Visualizer 时间： 先决条件：无 介绍： 为了尽可能容易的管理文档，在 MS 中使用项目的概念，在使用 MS 过程中， 可以通过使用 Project Explorer (项目浏览器)来查看和管理项目数据。MS 系统允许 你 save (存储)、reload (载入)、share (共享) MS 项目，并且可以向其他用户发送数 据和结果，无论是以单

14、独文档还是完整的项目都可以。 本教程说明了怎么创建一个项目，在本章随后的其他教程中用到了所建立的 项目。 1. 启动 Materials Studio 从 Windows“启动”菜单中选择“程序”| Accelrys Materials Studio 4.0| Materials Studio。 如果在桌面上有 Materials Studio 图标，也可以通过双击图标来启动 Materials Studio。在启动 Materials Studio 时，首先会出现一个所谓的欢迎界面(Welcome to Materials Studio)，必须创建一个新的项目或从对话框中载入一个已经存在的项

15、目。 注意：如果是第一次打开 Materials Studio，会看到一个叫做 Materials Studio 文件关联的对话框，如果出现这种情况，按照提示点击 OK 按钮即可。 2. 创建项目 在欢迎界面对话框上选择创建一个新的项目，然后点击 OK。 然后会出现新建项目对话框，选择要存储文件的位置并且键入 my quickstart 作为文件名，然后点击 OK。现在就开始了 Materials Studio 的学习， 使用的项目叫做 my quickstart，此时的项目管理器如图所示： ? 2 ? 图 11 显示 my quickstart 项目的项目管理器 现在已经建立了一个新的 Ma

16、terials Studio 项目。 3. 恢复默认的项目设置 在默认情况下，每一个新建的项目都使用在模板项目中定义的设置，模板项 目由 Materials Studio 自动建立，如AccelrysMaterials Studio 4.0Templates Normal.stp。对于本教程，应该确保my quickstart 项目的设置为默认设置。 从菜单栏中选择 Tools | Settings Organizer，显示 Settings Organizer 对话框。 Settings Organizer 对话框允许定义模板项目，它包括 Materials Studio 模块和 Materials Visualizer 中不同工具的默认设置。也可以使用 Settings Organizer 对话框 将外部项目的设置应用到当前的项目，或者将当前项目中任何设置恢复到 Accelrys 的默认设置。 在 Settings Organizer 对话框中，点击树型浏览顶部的 Materials Studio 图标，会选中当前项目窗口中所有模块和 Visualizer 工