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税肝雍
5 years ago
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1 Materials Studio 多尺度多功能分子模拟软件蒋佳丽创腾科技技术部 2016 年 11 月 22 日

2 主要内容 : 分子模拟意义 MS 分子模拟软件 MS 在材料研究中的应用

3 主要内容 : 分子模拟意义 MS 分子模拟软件 MS 在材料研究中的应用

4 什么是分子模拟? 科学靠两条腿走路, 一是理论, 一是实验有时一条腿走在前面, 有时另一条腿走在前面但只有使用两条腿, 才能前进实验密立根理论计算分子模拟方法

5 什么是分子模拟? 诺贝尔奖 1998 年密度泛函理论 (DFT) 2013 年复杂化学系统的多尺度模型 Walter Kohn Martin Karplus Michael Levitt Arieh Warshel 量子化学已经发展成为广大化学家所使用的工具, 将化学带入一个新时代, 在这个新时代里实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质, 化学不再是纯实验科学了从计算机上获得的理论结果被现实中的实验证实, 之后又产生了新的线索, 引导我们去探索原子世界工作的原理在这一角度, 理论和实践呈现出相辅相成互相促进的关系

6 为什么需要分子模拟? 金属材料无机非金属高分子及复合材料基本物性 : 电子性质 ( 电荷密度能带结构态密度原子轨道电荷等 ), 光学性质 ( 吸收系数折射率介电常数红外光谱拉曼光谱 X 射线吸收谱核磁共振谱等 ), 力学性质 ( 弹性常数体积模量剪切模量杨氏模量等 ), 磁学性质 ( 磁矩 ), 热力学性质 ( 熵焓吉布斯自由能 ) 等解释实验现象 :How,Why,Where 预测材料性能 :new phenomenon

7 为什么需要分子模拟? Celanese 公司 : 全球特种材料和化学品生产的技术领先者, 产品被广泛应用于工业和消费品领域需要从 300 个候选物中找到新的共混材料试验周期 :1 月 -1 年 / 候选物试验投入 : 据 IDC 调查, 每个试验约花费美元, 我们这里选取 1000 美元但 Celanese 公司借助模拟筛选方法对候选物进行预处理, 从中选出了 30 个最佳候选物进行试验, 最终得到所需材料试验次数试验周期成本 ( 美元 ) 传统实验年 30 万左右模拟筛选 30 2 年半 3~4 万

8 主要内容 : 分子模拟意义 MS 分子模拟软件 MS 在材料研究中的应用

9 Materials Studio 多尺度多功能分子模拟软件软件集成运营商 :Dassault Systemes BIOVIA 世界领先的科学创新周期管理软件及解决方案供应商在全球各地设有研发机构 : San Diego, Cambridge, Tokyo, Paris, Munich, Boston...

10 谁在使用 Materials Studio?

11 谁在使用 Materials Studio?

12 取得的高水平的科研成果 2006~2015 年, 全球各地研究人查文献链接员使用 Materials Studio 已在顶级期刊发表论文篇包括 Nature Science Nature Materials Nature Chemistry Progress in Surface Science Small Physical Review Letters Applied Physics Letters ACS Nano J. Am. Chem. Soc. Proc. Nat. Acad. Sci. Physical Review A Physical Review B J. Appl. Phys. Journal of Chemical Physics Chemical Physics Letters Nature Nanotechnology Chemical Society Reviews Nanoscale Research Letters Nanoscale 等知名期刊

13 Materials Studio 是整合的计算模拟平台多尺度, 应用领域全面

MesoDyn Mesocite Materials Visualizer Reflex plus 晶体学 QSAR 构效关系

14 Materials Studio 是整合的计算模拟平台量子力学分子力学动力学介观动力学 Castep Dmol3 Onetep Qmera VAMP DFTB+ Forcite plus Gulp COMPASS Amorphous Cell Sorption MesoDyn Mesocite Materials Visualizer Reflex plus 晶体学 QSAR 构效关系 Xcell Polymorph Predictor Morpholog 整合多达 21 个功能模块, 实现从电子结构解析到宏观性能预测的全尺度科学研究

15 方便多样的建模搭建 Ag 团簇 Ti 1-m X m 合金 (X = V, Nb, Ta, Mo, W) 纳米复合材料沸石分子筛结构离子液体高分子膜材料

16 反应过程及机理

17 结果可视化反应物的活性位点能带结构超导材料电子密度等值面高分子共混体系等密度图

18 灵活的运行方式 MS Gateway Server Job is running finished!

19 可扩展的操作方式结构模块面板提交计算分析计算结果

20 完善而专业的技术支持定期升级 MS 1.0 Jun 2000 MS 1.2 May 2001 MS 2.1 Apr 2002 MS 3.0 Dec 2003 MS 3.2 Mar 2005 MS 4.1 Dec 2006 MS 4.3 Mar 2008 MS 1.1 Dec 2000 MS 2.0 Oct 2001 MS 2.2 Oct 2002 MS 3.1 Oct 2004 MS 4.0 Dec 2005 MS 4.2 Jun 2007 MS 4.4 Dec 2008 Reflex Plus DMol 3 CASTEP Equilibria Visualizer Discover COMPASS Amorphous Cell Reflex VAMP DPD MesoDyn Forcite X-Cell Polymorph QSAR GFA Forcite Plus Morphology Synthia NMR-CASTEP Blends DMol 3 Descriptors HP Morphology (Crystal Graphs) Sorption Reflex QPA ZINDO VAMP Neural Nets Analog Builder Conformers Cation Locator Server Scripting CSD ConQuest GULP Gateway Security Gaussian Interface Adsorption Locator Amorphous Content Scripting: DMol 3, Polymorph, Reflex Mesotek ONETEP QMERA Motif CASTEP LDA+U Force Field Editor Meso Builders Mesocite Core Level Spectroscopy, DFTB+, B3LYP:CASTEP, Workfunction

21 完善而专业的技术支持定期升级 MS 5.0 Dec 2009 MS 5.5 Sep 2010 MS 6.0 Dec 2011 MS 6.1 Nov 2012 MS 7.0 Mar 20 MS 8.0 Jan 2015 MS 2016 Jan 2016 TDDFT.. Raman spectrum PBEsol Forcite plus parallel Amorphous cell DFTB+.. CASTEP TS Confirmation DFTB+ electron transport A transport device builder density pre-conditioner. Souza-Martins barostat long range tail correction Reaction rates optimize the geometry of excited states on-the-fly pseudopotentials Statistical Disorder TPSD J-coupling constants MSx,TPSS,revTPSS A van der Waals scale factor tabulated potentials

22 完善而专业的技术支持完备的产品使用手册所有模块原理参数意义操作教程

23 完善而专业的技术支持完备的产品使用手册

24 完善而专业的技术支持创腾学院培训中心售后技术支持邮箱每日统计每信必复

25 完善而专业的技术支持创腾学院培训中心各级别软件课程培训 ; 网络公开课

26 完善而专业的技术支持用户交流研讨会第八届大连

27 主要内容 : 分子模拟意义 MS 分子模拟软件 MS 在材料研究中的应用

28 微观角度探究材料本质

29 微观角度探究材料本质

30 金属材料 - 新材料的配方设计丰田公司设计目标 : 新一代汽车用合金材料借助 MS 计算得到每一种比例合金的力学性质稳定性筛选得到一些非常有希望的配方比例 : Ti 0.75 W 0.25, Ti 0.25 W 0.75, Ti 0.75 Mo 0.25, Ti 0.5 Mo 0.5, Ti 0.25 Mo 0.75 以金属 Ti 为基的合金 Ti 1-m X m (X = V, Nb, Ta, Mo, W) W Ti

设计结构 - 脚本工具 Statistic Disorder 脚本示例 : use

31 设计结构 - 脚本工具 Statistic Disorder 脚本示例 : use strict; use Getopt::Long; use MaterialsScript qw(:all); my $disorderedstructure = $Documents{ Au.xsd"}; 此处修改为你的结构名称 my $results = Tools->Disorder->StatisticalDisorder->GenerateSuperCells ($disorderedstructure,2,2,5); 此处修改为你算出来晶胞扩展倍数 my $table = $results->studytable; print "Number of disorder configurations generated: ".$results->numirreducibleconfigurations."\n"; 支持使用脚本建模模块调用性质分析

32 金属材料 - 性能研究不同压力下 Laves 相 ZrV 2 的结构弹性和热力学性质不同压力下的弹性常数体积模量剪切模型杨氏模量及柯西压力通过准谐徳拜模型, 基于 E-V 数据, 计算不同温度和压力条件下 ZrV 2 的热力学性质 JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 109, (2011)

金属材料 - 加工成形研究改善 Mg Zn Ca 合金的塑性各向异性使其具有高成形性的第一性原理研究 1 基面滑移体系: 左图 a, Mg Zn Ca 和 Mg Ca 模型, 其滑移面位于包含 Ca 原子的层和 Ca 原子层上面的第一层之间 Mg-Zn 模型, 滑移面位于包含 Zn 原子 (Zn2) 和它上面的第一层之间 2 棱面的滑移体系: 左图 b Mg Zn Ca 和 Mg Ca 模型,

33 金属材料 - 加工成形研究改善 Mg Zn Ca 合金的塑性各向异性使其具有高成形性的第一性原理研究 1 基面滑移体系: 左图 a, Mg Zn Ca 和 Mg Ca 模型, 其滑移面位于包含 Ca 原子的层和 Ca 原子层上面的第一层之间 Mg-Zn 模型, 滑移面位于包含 Zn 原子 (Zn2) 和它上面的第一层之间 2 棱面的滑移体系: 左图 b Mg Zn Ca 和 Mg Ca 模型, 滑移面位于包含 Ca 的层和它上面的一层之间 Mg Zn 模型, 滑移面位于包含 Zn 原子的层上面的第一层和第二层之间结论 :Mg-Ca 和 Mg-Zn 合金基面的层错能比纯 Mg 的要低添加 Ca 和 Zn 元素降低了层错能 Mg-Zn-Ca 模型的 r us (basal)/r us (prism) 的值最接近于 1, 因此塑性各向异性有所改善 ( 趋于各向同性 ), 并导致了基面织构的降低, 从而导致了更好的成形性棱面滑移体系中,Mg Zn Ca 体系具有最低的层错能 Acta Materialia 65 (2014)

34 金属材料 - 摩擦性质纳米加工及刻划性能研究高熵合金 Al-Co-Cr-Fe-Ni 的摩擦行为的分子动力学研究图 300k 和 600k 条件下, 切割深度为 0.28A 的纳米刻划模拟的力和位移曲线以 250 m/s 的切割速度进行刻划加工模拟, 在不同距离处的模拟结果 1 随着温度的升高, 导致刻划力的降低, 即温度升高, 高熵合金的强度降低 2 在高温下也同样观察到了加工硬化现象, 但加工硬化的程度随着温度的升高有所降低 SCANNING VOL. 34, (2012)

35 无机非金属材料 - 功能纳米材料石墨烷 / 氟化石墨烯双层结构的理论研究石墨烷 / 氟化石墨烯结构设计电场对于带隙的影响石墨烷 / 氟化石墨烯的四种可能组装结构石墨烷 / 氟化石墨烯双层结构的带隙随外加电场的变化关系曲线 J. Am. Chem. Soc. 2012, 134,

36 无机非金属材料 - 功能纳米材料硅烯纳米孔洞的电学和光学性质光吸收谱 : 反应当光波穿过材料时能量损失的部分从图中可见 :SNMs 具有宽频光响应区域从 0eV 到 10eV 四种结构图分别被标为 {1,1} {1,2} {1,3} {1,4} 每一种类型的 SNMs 被定义为 {1,W}, 这里的 1 代表一个被移除的六角硅链 W 代表相连孔洞硅链的宽度说明 : 光学性质可以通过 W 值的变化控制 RSC Adv., 2014

37 无机非金属材料 - 功能纳米材料 Ag 掺杂 ZnO 纳米线的结构电子和光学性质能带结构的解析 ZnO Ag-ZnO 相比纯的 ZnO 纳米线,Ag 的掺杂使得 ZnO 纳米线成为 p 型半导体 Ag 掺杂量的增加, 可以看到 p 型 ZnO 半导体行为更好 J. Phys. Chem. C 2011, 115,

38 无机非金属材料 - 超导超硬材料超导超硬不可压缩的立方 Re 4 C 立方 Re 4 C 键合性质硬度 Re-C 原子间有较大的电子密度, 预示 Re-C 有较强的键合 Re-Re 之间也有一定程度的键合 Computational Materials Science 50 (2011)

39 无机非金属材料 - 超导超硬材料 Materials Studio 输出的结果 Nature 493 (2013) 键长布居数体积键密度电子密度. 宏观硬度的微观理论模型 Nature 510 (2014)

Ti 3 SnC 2 与 Ti 3 SiC 2 将表现相同的颜色, 金属灰 (metallic gray); Ti 3

40 无机非金属材料 -MAX 相陶瓷材料 Ti 3 SnC 2 的相稳定性电子结构压缩性弹性和光学性质 : 第一性原理研究图 1 Ti 3 SnC 2 的两种多晶形态从态密度图得,Ti 3 SnC 2 表现出良好的导体特性 ; Ti 3 SnC 2 与 Ti 3 SiC 2 将表现相同的颜色, 金属灰 (metallic gray); Ti 3 SnC 2 能够吸收无线电波到紫外的能量谱中的光子的能量 J. Am. Ceram. Soc., 94 (2011)

41 高分子材料 - 电学光学性能研究聚 ε- 己内酯 (PCL) 接枝的聚吡咯 (PPy) 的结构, 电学, 形貌的理论研究模型一 : (Py)m-[(Py)-g-(CL)3] 的紫外可见光谱, 增加吡咯 (Py) 单体的数目,m 在 1 和 5 之间模型二 : (Py)m-[(Py)-g-(CL)3]-(Py)n, 改变 CL3 的接枝位置模型 :(Py)m-(Py-g-(CL)3)-(Py)n 其中 (m,n)=(6,0), (5,1), (4,2), (3,3) 改变 CL3 的接枝位置随着 Py 单体数目的增加紫外光谱的谱峰出现了红移带隙变窄, 导电性增强共轭嵌段的长度比接枝的位置对光谱的影响更大 Macromolecular Research, Vol. 21, No. 9, pp (2013)

42 高分子材料 - 膜燃料电池质子交换膜的形貌和机械性能质子交换膜形貌对其机械性能影响的介观尺度模拟质子交换膜的纳米级形貌强烈会强烈影响其质子电导率和机械性能球状柱状 x 骨架 F:(-CF 2 -CF 2 -) 4 侧链 S: (-O-CF 2 -CF(CF 3 )-O-CF 2 -CF 2 -SO 3 H) 水 W:(H 2 O) 10 PFSA( 全氟磺酸离子交换树脂 ) 粗粒化模拟代表性形貌柱状 y 不同水含量时理论和实验杨氏模量比较平衡 - 浇注模型剪切 - 挤压模型 λ=2 时球状柱状水 (a) 和 PFSA(b) 相密度分布剖面图 Polymer 52 (2011)

43 高分子材料 - 有机薄膜表界面研究羧酸为端位的自组装单层膜结构的分子力学模拟和杂化的量子力学 - 分子力学振动模式的分析真空环境 CATSAM_0 水环境 CATSAM_1 CATSAMs 体系中羧基的不同的相互作用 CATSAM_3 CATSAM_X (X = 0, 1 和 3) 在羰基伸缩区域的频率分布 :a, c, e 是 ν (C=O) 的频率分布 ;b, d, f 是在空气以及 pd = 2.2 和 5.1 条件下 ATR-FTIR 的实验谱图 J. Phys. Chem. C 116 (2012) 770

通过调整原子速度来实现冷区热区的热量调整, 使粒子具有所需要的动能同时在体系中产生热通量模拟结果 : 在 5 wt%

44 复合材料 - 热导性能基于非平衡动力学模拟和实验研究石墨片 / 聚苯硫醚复合材料热导性能非平衡动力学模拟模型示意图 NEMD 将整个体系沿着 z 轴方向分成 64 份, 其中 K1 和 K64 是冷区, 热量从此区域移除 ;K32 和 K33 是热区, 热量从此区域注入通过调整原子速度来实现冷区热区的热量调整, 使粒子具有所需要的动能同时在体系中产生热通量模拟结果 : 在 5 wt% 石墨添加的情况下热导相对纯 PPS 没有显著提升随着石墨的添加量超过 10wt%, 热导率的提高随着石墨的添加量增大而变大 Polymer 54 (2013)

PE 已经部分渗透到 CNT 的结合处, 对于电子的输送有一定贡献 J. Phys.

45 复合材料 - 电导性能碳纳米管 - 聚乙烯交界处电荷传输的原子模型三种不同顶端距离构型的透射系数随时间的变化 :(a)3a,(b)5,a(c)6 Å (S Site) (S and T Site) (T Site) 图 CNT 结合的侧面 (a) 及正面 (b), 由 (10,10) SWCNT 嵌入无定型聚乙烯模型中构成 PE 已经部分渗透到 CNT 的结合处, 对于电子的输送有一定贡献 J. Phys. Chem. C 2013, 117, Physica B, 407 (2012)

46 CASTEP 平面波赝势法 (Planewave-Pseudopotential) CASTEP 将电子波函数通过平面波函数展开赝势 (r) G 有效的减少平面波数目 C i e, k G i(k G) r pseudo wave function pseudopotential 适用于周期性体系

47 CASTEP 是领先的固态 DFT 程序使用平面波赝势由 Cambridge 大学 Mike Payne 教授发布每年发表的数百篇论文其研究领域包括 : 晶体材料结构优化及性质研究 ( 半导体陶瓷金属分子筛等 ) 点缺陷性质 ( 如空位间隙或取代掺杂 ) 扩展缺陷( 晶体晶界位错 ) 表面和表面重构的性质表面化学电子结构 ( 能带态密度声子谱电荷密度差分电荷密度及轨道波函分析等 ) 晶体光学性质磁性材料研究材料力学性质研究材料逸出功及电离能计算 STM 图像模拟红外 / 拉曼光谱模拟 ; 声子谱以及声子态密度 ; 反应过渡态计算动力学方法研究扩散路径

48 DMol 3 : 原子轨道线形组合法 (LCAO) j c i ij j j ( r ) ( r ) Rnl( r) Ylm(, ) lm Radial portion Angular Portion atomic DFT eqs. numerically 适合于分子团簇分子筛分子晶体聚合物等开放类结构 Tips: 对于空体积较大的晶体, 使用 DMol 3 的效率要高于 Castep R cut 周期型和非周期性体系

49 MS Dmol 3 第一个商业化 DFT 程序使用高效紧凑的数值轨道基组能够处理周期性和非周期性结构研究领域电子结构的解析反应过渡态, 中间态的搜索, 反应动力学计算基于全部或部分 Hessian 矩阵的振动频率计算 Mulliken,Hirshfeld 以及 ESP 电荷的计算, 键级分析, 电极矩计算生成热, 自由能, 熵, 热容以及 ZPVE 的计算支持溶剂化模型 COSMO Fukui 函数的计算非线性光学性质以及紫外可见光谱电子输运性质计算

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untitled 1 2 3 4 5 A 800 700 600 500 400 300 200 100 0-100 10000 9500 9000 8500 8000 7500 7000 6500 6000 2006.1-2007.5 A 1986.1-1991.12 6 7 6 27 WIND A 52.67 2007 44 8 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 2001-05 2002-02