材料计算与模拟6-simulation-software课件

计算机软件简介计算机软件简介IntroductiontoComputerSoftware材料设计计算机软件简介及应用示例q材料设计与模拟软件概述:介绍材料模拟设计中各种计算机软件qAccelrysMaterialsStudio：介绍该材料模拟软件的各种计算机模块及其功能材料设计与模拟软件概述qCerius2,MaterialsStudio,InsightII,DiscoveryStudioModeling,Catalyst,Felix,QUANTA,Tsar,Topkat,GCG,CrystalStudio,ChemOfficeqMatlab,Origin,MathCAD,NestchPeakSeparation,MDIJade5.01.专业软件(1)Cerius2qAccelrysMolecularSimulationInc.Accelrys has over twenty years of leadership in the delivery of computational science and informatics software to diverse R&D organizations.qKeyproduct:qDiscoveryStudio:integrated,PC-basedsimulation&informaticsforlifescienceqMaterialsStudio:integratedmaterialssimulationonthePCqCerius2,Catalyst,InsightII,QUANTA:modelingforUNIX/LinuxworkstationsqAccord:cheminformaticssuitesqOn-lineInformation:(1)Cerius2简介1.材料科学软件功能简介AccelrysCerius2软件运行于SGIIRIX工作站系统上，是Accelrys产品线中用于材料计算的主要平台之一，有十多年的产品开发历史，不仅界面友好易用，而且集成了全面的材料计算工具，包括分子力学、分子动力学、量子力学、MonteCarlo、统计力学以及介观动力学等多种计算方法。1）核心模块及图形界面2）能量计算工具3）材料性质模拟计算工具4）介观模拟方法5）量子力学计算程序6）实验数据解析工具7）统计相关方法8）软件开发工具(1)Cerius2简介2.生命科学软件功能简介众所周知，合理药物设计能够帮助医药研究机构加快药物发现的过程。美国Accelrys公司的药物设计软件，针对不同的研究状况，提供相应的解决方案：无论是在受体蛋白结构已知的情况下，还是在只了解部分有机小分子的情况下，都能够针对治疗目标，提供有效信息。这里介绍的Cerius2药物软件包，能够针对配体结构已知/未知、受体结构已知/未知、应用组合化学方法等几种情况，开始先导化合物的设计与优化。1）分子模型构建与显示2）分子力学与动力学计算工具3）合理药物设计-QSAR和基于结构的药物设计4）组合化学(1)Cerius21）核心模块及图形界面qC2.Visualizer-软件核心模块及图形用户界面。Visualizer模块为构造、编辑、显示、分析三维分子结构模型提供了全面的模拟环境。结构模型构造工具qC2.CrystalBuilder-用于建造及显示无机、高分子及分子晶体的结构模型，为进一步的结构研究及性质模拟提供基础qC2.SurfaceBuilder-用于建造二维周期结构模型，可研究材料表面的结构、化学性质及互相作用。qC2.InterfaceBuilder-用于建造、显示两种材料间的界面模型。可显示并研究复杂的结构性质，为更深入的模拟计算提供基础(1)Cerius21)核心模块及图形界面qC2.PolymerBuilder-用于建造、显示高聚物的结构。系统提供了极丰富的单体数据库，用户亦可以自定义新的单体。可帮助研究人员了解和表征聚合物的结构。qC2.AmorphousBuilder-建造无定形分子结构，包括高分子本体和高分子溶液的结构模型。结合模拟和分析工具，为深入了解无定形结构与性质之间的关系提供了强有力的工具。(1)Cerius22)能量计算工具qC2.OFF(OpenForceField)-提供Cerius2软件中性质预测模块所需的分子力场。软件提供了全面的力场数据库，适用的材料体系包括无机物、高分子、分子筛、有机金属化合物以及其他材料类型。qC2.FFE(ForceFieldEditor)-用户可采用力场数据库中的标准力场或自定义力场参数。也可采用文献中的力场参数来解决用户自己的问题，并发展和验证已有的力场参数。qC2.Minimizer-利用Cerius2软件的OFF力场，根据分子力学的计算结果预测能量最低的结构，有助于对分子、大分子、无定形态、晶体及表面的结构和性质的深入了解。(1)Cerius22)能量计算工具qC2.Dynamics-运用分子力学研究结构驰豫及材料的动力学行为。可计算的性质包括稳定性、扩散系数、径向分布函数、结构因子及速率自相关函数。qC2.COMPASS-COMPASS是PCFF力场的最新版本，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经参数化并得到广泛验证的从头算力场，使用COMPASS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结构、构象、振动以及热物理性质。(1)Cerius22)能量计算工具qC2.Discover-Discover是一套独立、完整的分子力学计算引擎。它使用多种分子力学和动力学方法，以可靠的力场为基础，可准确地计算出最低能量构型、分子体系的结构以及动力学轨迹等。Discover支持多种模拟方法，如外压和外电场存在条件下的模拟；周期性边界条件允许进行固态系统的模拟，如晶体，非晶和溶剂化体系。全面的分析功能可以从模拟的结果中提取相关的信息。(1)Cerius23)材料性质模拟计算工具qC2.Blends-可预测液-液、高分子-高分子及高分子-添加剂混合体系的相图及相互作用参数，可用于对影响共混行为及配方的结构因子的研究。qC2.Conformers-提供分子结构的构象搜寻算法及相关的分析工具。可表征分子的构象和柔性，并帮助研究人员深入了解体系的空间及能量性质。(1)Cerius23)材料性质模拟计算工具qC2.MechanicalProperties-预测材料力学性质的全面的计算工具。通过计算任何类型材料的各种弹性模量，可帮助研究人员设计新型的晶态及非晶态的聚合物、陶瓷及半导体材料。qC2.Morphology-由内部晶体结构预测晶体生长外形，有助于了解晶体生长外形与结构间的相关性及晶体生长过程中溶剂和添加剂的影响(1)Cerius23)材料性质模拟计算工具qC2.PolymerProperties-分析聚合物结构模型，计算回转半径、末端距、序参数、二面角分布、自由体积、密度及Voronoi体积等性质。qC2.Polymorph-根据分子的结构预测药物、染料、精细化学品等有机晶体的多晶型结构。可预测化合物的未知晶型，并可结合Rietveld结构精修方法确定晶体结构。Polymorph使用快速的MonteCarlo模拟方法，在合理的空间群范围内生成分子的可能堆积方式，并最终找到能量最低的晶体构型。(1)Cerius23)材料性质模拟计算工具qC2.Sorption-使用GrandCanonicalMonteCarlo(GCMC)预测分子在微孔固体（如分子筛）中的吸附性质，可计算吸附等温线、结合位、结合能、扩散途径及分子选择性等。qC2.CationLocator-CationLocator使用基于格子的算法确定无机物框架结构的势能极小值并确定在此极小值下，骨架外阳离子所处位置（如确定分子筛骨架结构中Ca离子的位置）。(1)Cerius23)材料性质模拟计算工具qC2.GULP-GULP是广泛使用的、以力场为基础的晶格模拟程序，可优化晶体的结构、预测离子极化性、进行缺陷能量计算及分子动力学模拟。GULP可模拟下述体系或过程的性质：氧化物；点缺陷、杂质和空位；表面；离子迁移；分子筛和其他微孔材料的反应性与结构；粘土中的离子；陶瓷；无序结构等。qC2.HPMorphology-HPMorphology是用于预测盐类及其溶剂化物的晶体生长外形的一种最新方法。(1)Cerius23)材料性质模拟计算工具qC2.RMMC-RMMC使用RISMetropolisMonteCarlo方法进行高分子体系的模拟。通过对单链或多链结构的计算可预测包括末端距、转动半径、相关长度、偶极矩、特性粘度及临界摩尔质量等在内的各种性质。qC2.Synthia-Synthia用QSPR（定量结构/性质关系）统计相关方法快速预测高分子的多种性质，因此可以对大量的高分子体系进行快速筛选，以期得到具有某种特定性质的目标体系。Synthia可以预测的性质包括电学、光学、磁学、力学和输运性质，以及玻璃化转变温度（Tg）等。(1)Cerius23)材料性质模拟计算工具qC2.StructurePredictor-StructurePredictor使用两种不同的模拟退火方法，结合已知的晶体学和化学组成的信息，可以分别对分子筛和金属氧化物的结构进行预测。(1)Cerius24)介观模拟方法qC2.MesoDyn-MesoDyn是预测软凝聚态材料（如高分子共混物及溶液）介观结构的一种介观模拟方法。与传统上使用平衡态理论确定软材料的形态不同，MesoDyn方法认为软凝聚态材料的形态是不规整的，只能通过其动力学性质来表征。(1)Cerius24)介观模拟方法qC2.DPD(DissipativeParticleDynamics)-耗散粒子动力学（DPD）是一种全新的介观模拟方法，用于研究悬浮液、乳液及高分子熔体等复杂流体中的流动现象。DPD方法预测流体的动力学行为，其基本原理是用独立且相互作用的粒子模型代表流体中的微滴（droplets）来实现牛顿流体力学的行为，从而在更大的时间和空间尺度上模拟体系的行为和性质。(1)Cerius25)量子力学计算程序qC2.CASTEP-先进的应用于材料科学的量子力学计算程序，采用第一原理平面波赝势方法，可模拟固体、界面或表面的性质，广泛适用于陶瓷、半导体及金属等体系，可研究：晶体材料（半导体、陶瓷、金属、分子筛等）的性质、表面和表面重构的性质、表面化学、电子结构（能带和态密度）、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）、体系的三维电荷密度及波函数等；还可以进行第一原理的分子动力学计算。(1)Cerius25)量子力学计算程序qC2.ESOCS-计算固体的电子及磁学性质。可有效地计算缺陷的电子结构、材料的吸收和反射光谱以及磁性。ESOCS可广泛应用于金属、合金及染料工业，也可用于磁记录工业中使用的磁性材料的优化设计。qC2.GuassianInterface-量子力学程序Guassian的图形用户界面。利用abinitio、半经验及密度泛函方法，可研究分子及过渡态的结构、能量及化学性质。(1)Cerius25)量子力学计算程序qC2.FastStructure-用于确定晶体、界面、表面及分子的平衡几何构型。采用第一原理密度泛函方法，并结合分子动力学、模拟退火及能量优化技术，FastStructure可快速计算体系的结构性质。可应用于电子、化工、石化及玻璃等工业领域。qC2.MOPAC-著名的半经验量子力学程序Mopac的图形用户界面。可研究分子的结构及能量，计算分子轨道、电荷等性质。(1)Cerius25)量子力学计算程序qC2.DMOL3-DMOL3包括Dmol3-Molecular和Dmol3-SolidState两种程序，使用密度泛函（DFT）方法，可分别预测分子或周期性体系的分子和电子结构，是唯一可以模拟气相、溶液、表面及固体等过程及性质的商业化量子力学程序，应用于化学