产品简介

Materials Studio 材料模拟软件平台是科研模拟软件公司Biovia的核心产品。在近20年的发展历程中，Materials Studio获得了来自全球多个科研机构的技术支持，历经23个版本的更新和升级，现已融合多种时、空间尺度的模拟方法，形成了一个包含16个工具包、22个功能模块，可实现从微观电子结构到宏观性能预测的跨尺度科学研究平台，是目前分子模拟领域中相对精确、稳定、高效的产品，在化工、环境、能源、制药、电子、食品、航空航天和汽车等工业领域和教育科研部门有着非常广泛的应用。

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Materials Studio材料模拟软件以可视化视窗界面为核心，主要包括量子力学模块、经典分子力学、动力学模块、介观动力学模块、蒙特卡洛方法模块、定量构效关系模块以及晶体形貌、结构预测模块。

一、可视化视窗界面

Materials Studio的图形化界面，支持各种材料微观结构模型的搭建和计算结果可视化分析。

二、量子力学模块

以定态薛定谔方程为核心，计算原子核满足特定排列时，核外电子的空间、能量分布，并由此进一步得到体系的电学性质、磁学性质、光学性质、热力学性质以及力学性质，精度高且几乎不依赖于任何经验参数，被广泛应用在各类材料的模拟研究中。

三、经典分子力学、动力学模块

以各类力场(势函数)表征原子、离子及分子间相互作用，其中包含有大量基于实验数据或者量子力学方法的经验参数，所以，经典模拟方法具有非常高的效率，能够计算包含数千至数十万原子模型的相关性质，计算精度取决于势函数及参数的适用性。

四、介观动力学模块

“模型粗粒化”是介观模拟方法与其它模拟方法的一个显著区别。将通常模型中的若干个原子视为一个“珠子”，由珠子构成的结构模型称为“粗粒化模型”。介观模块采用各种势函数描述珠子间的相互作用，并研究珠子的分布、运动，分析各种分布所形成的拓扑形貌以及与运动相关的结构、动力学性质。

五、蒙特卡洛方法模块

蒙特卡洛方法结合分子力场（势函数），在Materials Studio中被用来构建聚合物、溶液等无序结构模型，研究多孔材料、固体表面的气体分子吸附，搜索分子最优构象以及晶体结构。

Q&A

Q1.Materials Studio在高分子及其复合材料研究领域能做哪些方面的模拟工作？

Materials Studio中基于力场（势函数）的分子力学、动力学以及蒙特卡洛模块，包括介观动力学模块，可用于高效的搜索高分子的稳定构象，构建和表征高分子晶态或非晶态的结构和预测性质。

（1）树脂如交联环氧树脂的配方设计和力学性能研究，热固性聚合物在玻璃态和橡胶态的结构与机械性能之间的关系

（2）高分子材料的内聚能密度、玻璃化转变温度及共混行为及相分离形貌

（3）阻隔包装材料中小分子的渗透扩散研究

（4）复合材料的界面处的分布形态(密度场)及复合材料的杨氏模量、泊松比、热导率、透气率等宏观性质。

Q2.Materials Studio在纳米材料研究领域能做哪些方面的模拟工作？

Materials Studio软件平台中的量子力学方法和分子力学和动力学方法结合，可以研究纳米材料的微观结构及光、电、磁、力学及热力学相关的物理性质，化学反应活性以及自组装、外延生长机制进行研究。

（1）纳米材料如碳纳米管、石墨烯、硅纳米棒的电子结构的剪裁和控制

（2）纳米材料的催化反应机理研究和化学反应过程的研究

（3）纳米管机械性能，如在压缩、弯曲、拉伸载荷下的屈服模拟

（4）纳米材料电子输运性能

Q3.Materials Studio在非金属领域能做哪些方面的模拟工作？

（1）搭建半导体晶体、缺陷、表界面、纳米材料颗粒结构

（2）半导体如钛酸钡、氧化钛、氧化锌、等过渡金属元素氧化物材料的掺杂缺陷结构的缺陷态、缺陷形成能、电子结构

（3）稀土发光材料等光学材料的光学性质及发光机理研究

（4）电池材料如锂电池的设计，筛选可提高电池性能的掺杂元素；离子在电池中的扩散和迁移能垒

（5）新型多孔材料的结构设计和确认；气体分离；吸附等温线

（6）新型碳材料结构设计及性质研究

（7）硬材料如氧化硅、氧化铝、碳化硅、氮化硼的力学性质、电子结构、相变、相变路径、相变机制研究

（8）磁性材料如铁氧体的磁学性质研究

Q4.Materials Studio在金属领域能做哪些方面的模拟工作？

（1）搭建纯金属、合金、掺杂模型、位错、层错、孪晶、金属纳米颗粒结构

（2）合金配方设计和结构性质研究如：力学性质研究包括体弹性模量、杨氏模量泊松比；拉伸模拟研究得到抗拉强度；塑性变形（层错和孪晶）；热力学性质；扩散迁移

（3）金属体系常压、高压结构的解析和预测；相变

（4）非晶合金，金属玻璃等非晶固体的形成机制；金属液体的结构与性质

（5）金属的腐蚀与防护

（6）金属（包括碱金属）体材料和薄膜材料的磁性研究；结构无序对磁性的影响

（7）金属纳米颗粒催化反应

Q5.材料基因组项目中分子模拟能做什么？

科学家想通过Materials Genome Initiative（MGI）项目，找出元素间的相互作用对材料的种类和性质带来的广泛影响，以这些知识为基础，希望以更短的周期为不同应用“定制”相应材料。已经促成的来自麻省理工学院的以研究电池为主的Materials Project项目和哈佛的以清洁能源为主的Clean Energy Project计划。二者均利用密度泛函理论（Density Functional Theory）收集巨型数据库来预测模拟物质的实际属性。