标题：Materials Studio
Materials studio简介
1、诞生背景美国Accelrys公司的前身为四家世界领先的科学软件公司――美国Molecular Simulations Inc.(MSI)公司、Genetics Computer Group(GCG)公司、英国Synopsys Scient ific系统公司以及Oxford Molecular Group(OMG)公司，由这四家软件公司于2001年6月1日合并组建的Accelrys公司，是目前全球范围内唯一能够提供分子模拟、材料设计以及化学信息学和生物信息学全面解决方案和相关服务的软件供应商。 
Accelrys材料科学软件产品提供了全面完善的模拟环境，可以帮助研究者构建、显示和分析分子、固体及表面的结构模型，并研究、预测材料的相关性质。Accelrys的软件是高度模块化的集成产品，用户可以自由定制、购买自己的软件系统，以满足研究工作的不同需要。Accelrys软件用于材料科学研究的主要产品包括运行于UNIX工作站系统上的Cerius2软件，以及全新开发的基于PC平台的Materials Studio软件。Accelrys材料科学软件被广泛应用于石化、化工、制药、食品、石油、电子、汽车和航空航天等工业及教育研究部门，在上述领域中具有较大影响的世界各主要跨国公司及著名研究机构几乎都是Accelrys产品的用户。
2、软件概况Materials Studio是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上  
的模拟软件。它可以帮助你解决当今化学、材料工业中的一系列重要问题。支持Windows 98、2000、NT、Unix以及Linux等多种操作平台的Materials Studio使化学及材料科学的研究者们能更方便地建立三维结构模型，并对各种晶体、无定型以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究。 
多种先进算法的综合应用使Materials Studio成为一个强有力的模拟工具。无论构型优化、性质预测和X射线衍射分析，以及复杂的动力学模拟和量子力学计算，我们都可以通过一些简单易学的操作来得到切实可靠的数据。 
Materials Studio软件采用灵活的Client-Server结构。其核心模块Visualizer运行于客户端PC，支持的操作系统包括Windows 98、2000、NT；计算模块（如Discover，Amorphous，Equilibria，DMol3，CASTEP等）运行于服务器端，支持的系统包括Windows2000、NT、SGIIRIX以及Red Hat Linux。浮动许可（Floating License）机制允许用户将计算作业提交到网络上的任何一台服务器上，并将结果返回到客户端进行分析，从而最大限度地利用了网络资源。 
任何一个研究者，无论是否是计算机方面的专家，都能充分享用Materials Studio软件所带来的先进技术。Materials Studio生成的结构、图表及视频片断等数据可以及时地与其它PC软件共享，方便与其他同事交流，并能使你的讲演和报告更加引人入胜。 
Materials Studio软件能使任何研究者达到与世界一流研究部门相一致的材料模拟的能力。模拟的内容包括了催化剂、聚合物、固体及表面、晶体与衍射、化学反应等材料和化学研究领域的主要课题。
3、模块简介Materials Studio采用了大家非常熟悉的Microsoft标准用户界面，允许用户通过各种控制面板直接对计算参数和计算结果进行设置和分析。目前，Materials Studio软件包括如下功能模块： 
Materials Visualizer: 
提供了搭建分子、晶体及高分子材料结构模型所需要的所有工具，可以操作、观察及分析结构模型，处理图表、表格或文本等形式的数据，并提供软件的基本环境和分析工具以及支持Materials Studio的其他产品。是Materials Studio产品系列的核心模块。 
Discover: 
Materials Studio的分子力学计算引擎。使用多种分子力学和动力学方法，以仔细推导的力场作为基础，可准确地计算出最低能量构型、分子体系的结构和动力学轨迹等。 
COMPASS: 
支持对凝聚态材料进行原子水平模拟的功能强大的力场。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等参数化并经验证的从头算力场。可以在很大的温度、压力范围内精确地预测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。 
Amorphous Cell: 
允许对复杂的无定型系统建立有代表性的模型，并对主要性质进行预测。通过观察系统结构和性质之间的关系，可以对分子的一些重要性质有更深入的了解，从而设计出更好的新化合物和新配方。可以研究的性质有：内聚能密度（CED）、状态方程行为、链堆砌以及局部链运动等。 
Reflex: 
模拟晶体材料的X光、中子以及电子等多种粉末衍射图谱。可以帮助确定晶体的结构，解析衍射数据并用于验证计算和实验结果。模拟的图谱可以直接与实验数据比较，并能根据结构的改变进行即时的更新。包括粉末衍射指标化及结构精修等工具。 
Reflex Plus: 
是对Reflex的完善和补充，在Reflex标准功能基础上加入了已被广泛验证的Powder Solve技术。Reflex Plus提供了一套可以从高质量的粉末衍射数据确定晶体结构的完整工具。 
Equilibria: 
可计算烃类化合物单组分体系或多组分混合物的相图，溶解度作为温度、压力和浓度的函数也可同时得到，还可计算单组分体系的virial系数。适用领域包括石油及天然气加工过程（如凝析气在高压下的性质）、石油炼制（重烃相在高压下的性质）、气体处理、聚烯烃反应器（产物控制）、橡胶（作为温度和浓度的函数的不同溶剂的溶解度）。 
DMol3: 
独特的密度泛函（DFT）量子力学程序，是唯一的可以模拟气相、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、材料、化工、固体物理等许多领域。可用于研究均相催化、多相催化、分子反应、分子结构等，也可预测溶解度、蒸气压、配分函数、熔解热、混合热等性质。 
CASTEP: 
先进的量子力学程序，广泛应用于陶瓷、半导体、金属等多种材料，可研究：晶体材料的性质（半导体、陶瓷、金属、分子筛等）、表面和表面重构的性质、表面化学、电子结构（能带及态密度）、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。
4、比Cerius2更有优点比Cerius2更具有优点
Materials Studio软件比Cerius2具有以下优点： 
（1） Materials Studio是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上的模拟软件。支持Windows 98、2000、NT、Unix以及Linux等多种操作平台。 
（2） Materials Studio软件采用灵活的Client-Server结构。其核心模块Visualizer运行于客户端PC，支持的操作系统包括Windows 98、2000、NT；计算模块（如DiscoverAmorphous，Equilibria，DMol3，CASTEP等）运行于服务器端，支持的系统包括Window 
s 2000、NT、SGIIRIX以及Red Hat Linux。 
（3） 投入成本低，易于推广。浮动许可（Floating License）机制允许用户将计算作业提交到网络上的任何一台服务器上，并将结果返回到客户端进行分析，从而最大限度地利用了网络资源，减少了硬件投资。
模块详细介绍
基本环境
MS.Materials Visualizer
分子力学与分子动力学
MS.DISCOVER
MS.COMPASS
MS.Amorphous Cell
MS.Forcite
MS.Forcite Plus
MS.GULP 
MS.Equilibria
MS.Sorption
晶体、结晶与X射线衍射 
MS.Polymorph Predictor
MS.Morphology
MS.X-Cell
MS.Reflex
MS.Reflex Plus
MS.Reflex QPA
量子力学 
MS.Dmol3
MS.CASTEP
MS.NMR CASTEP
MS.VAMP 
高分子与介观模拟 
MS.Synthia
MS.Blends 
MS.DPD
MS.MesoDyn 
MS.MesoPro
定量结构-性质关系 
MS.QSAR
MS.QSAR Plus 
MS.Dmol3 Descriptor
基本环境·MS Visualizer
提供了搭建分子、晶体、界面、表面及高分子材料结构模型所需的所有工具，可以操作、观察及分析计算前后的结构模型，处理图型、表格或文本等形式的数据，并提供软件的基本环境和分析工具以支持Materials Studio的其它产品。是Materials Studio产品系列的核心模块。同时Materials Visualizer还支持多种输入、输出格式，并可将动态的轨迹文件输出成avi文件加入到Office系列产品中。MS4.0版本增加了纳米结构模建、分子叠合以及分子库枚举等功能。
分子力学与分子动力学·MS.DISCOVER　Discover是Materials Studio的分子力学计算引擎。它使用了多种成熟的分子力学和分子动力学方法，这些方法被证明完全适应分子设计的需要。以多个经过仔细推导的力场为基础，Discover可以准确地计算出最低能量构象，并可给出不同系综下体系结构的动力学轨迹。Discover还为Amorphous Cell等产品提供了基础计算方法。周期性边界条件的引入使得它可以对固态体系进行研究，如晶体、非晶和溶剂化体系。另外，Discover还提供强大的分析工具，可以对模拟结果进行分析，从而得到各类结构参数、热力学性质、力学性质、动力学量以及振动强度。
·MS.COMPASS　
COMPASS是“Condensed-phase Optimized Molecular Potential for Atomisitic Simulation Study”的缩写。它是一个支持对凝聚态材料进行原子水平模拟的功能强大的力场。它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等参数化并验证的从头算力场。使用这个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构象、振动及热物理性质。在COMPASS力场地最新版本中，Accelrys加入了45个以上的无机氧化物材料以及混合体系（包括有机和无机材料的界面）的一些参数，使它的应用领域最终包含了大多数材料科学研究者赶兴趣的有机和无机材料。你可以用它来研究诸如表面、共混等非常复杂的体系。COMPASS力场是通过Discover模块来调用的。
·MS.Amorphous Cell　
Amorphous Cell允许你对复杂的无定型体系建立有代表性的模型，并对主要性质进行预测。通过观察体系结构和性质的关系，可以对分子的一些重要性质有更深入的了解，从而设计出更好的新化合物和新配方。可以研究的性质有：内聚能密度(CED)、状态方程行为、链堆砌以及局部链运动、末端距和回旋半径、X光或中子散射曲线、扩散系数、红外光谱和偶极相关函数等。Amorphous Cell的特征还包括提供：任意共混体系的建模方法（包括小分子与聚合物的任意混合）、特殊的产生有序的向列型中间相以及层状无定型材料的能力（用于建立界面模型或适应粘合剂及润滑剂研究需要）、限制性剪切模拟、研究电极化和绝缘体行为的Poling法、多温循环模拟以及杂化的蒙特卡罗模拟。Amorphous Cell的使用需要Discover分子力学引擎的支持。
·MS.Forcite　
先进的经典分子力学工具，可以对分子或周期性体系进行快速的能量计算及可靠的几何优化。包含Universal、Dreiding 等被广泛使用的力场及多种电荷分配算法。支持二维体系的能量计算。MS4.0版本中可以进行刚体优化，同时还加入了分析 Discover 所产生的.arc和.his 轨迹文件的功能. 
·MS.Forcite Plus 
先进的经典力学模拟工具，能够进行能量计算、几何优化、动力学模拟。可对从简单分子到二维表面到三维周期等范围很广的结构进行上述操作。一整套的分析工具可用来对诸如偶极相关等复杂性质进行分析。MS4.0版本中可以进行刚体优化，同时还加入了分析 Discover 所产生的.arc和.his轨迹文件的功能。
·MS.GULP 
GULP是一个基于分子力场的晶格模拟程序，可以进行几何结构和过渡态的优化，离子极化率的预测，以及分子动力学计算。GULP既可以处理分子晶体，也可以计算离子性的材料。GULP可以计算的性质包括：氧化物的性质，点缺陷、掺杂和空隙，表面性质，离子迁移，分子筛和其他多孔材料的反应性和结构，陶瓷的性质，无序结构等，可应用于多相催化、燃料电池、核废物处理、蒸气电解、气体传感器、汽车尾气催化以及石油化工等诸多工业领域。
·MS.Equilibria　
使用独有的NERD力场来计算烃类化合物单组分体系或多组分混合物的气液、液液相图，溶解度作为温度、压力和浓度的函数也可同时得到，还可计算单组分体系的二阶virial系数，临界常数和共存曲线可以通过Ising Scaling分析得到。适用领域包括石油及天然气加工过程（如凝析气在高压下的性质）、石油炼制（重烃相在高压下的性质）、气体处理、聚烯烃反应器（产物控制）、橡胶（作为温度和浓度的函数的不同溶剂的溶解度）。最新的版本中可计算的体系增加了：主要的醇类、硫化物、硫醇、氢化硫和氮气。
·MS. Sorption 
使用 Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) 方法预测分子在微孔材料 (如分子筛) 中的吸附性质，可用于吸附等温线、结合位、结合能、扩散途径及分子选择性的研究。
晶体结晶与X射线衍射晶体、结晶与X射线衍射
·MS.Polymorph Predictor 
Polymorph是一个算法集，目的是测定晶体的低能多晶型。此方法可以与实验衍射数据相关联或者仅仅使用材料的化学结构来实现此目的。 晶体的多晶型可能会导致不同的性质，因此判断哪种晶型更加稳定或者接近稳定态势非常重要的。在处理过程中微小的改变都会导致稳定性的大幅度变化。 Polymorph中的相似性挑选和聚类算法允许用户将相似模型归类，从而节省计算时间。
·MS.Morphology　
从晶体的原子结构来模拟晶体形貌。可以预测晶体外形，研发特殊效果的掺杂成分，控制溶剂和杂质的效应。 
·MS.X-Cell 
已申请专利的X-Cell是一种全新、高效、综合、易用的指标化算法，它使用消光决定（extinction-specific）的二分法方法对参数空间进行详尽无遗的搜索，最终给出可能的晶胞参数的完整清单。在许多情况下显示出比DICVOL、TREOR 和 ITO更高的成功率。X-Cell可以很好的处理粉末衍射指标化中的许多难点，如样品含有杂质相、峰位重叠、零点偏移、极端形状的晶胞等。
·MS.Reflex　
模拟晶体材料的X光、中子以及电子等多种粉末衍射图谱。可以帮助确定晶体的结构，解析衍射数据并用于验证计算和实验结果。模拟的谱图可以直接与实验数据比较，并能根据结构的改变进行即时的更新。粉末衍射指标化算法包括：TREOR90, DICVOL91, ITO and X-cell。结构精修工具包括Rietveld精修和Pawley精修。。
·MS.Reflex Plus　
在Reflex标准功能的基础上加入已被广泛验证的Powder Solve技术，提供了一套可以从高质量的粉末衍射数据确定晶体结构的完整工具。包括粉末指标化、Pawley精修、解结构以及Rietveld精修。结构的全局搜索过程可以选用Monte Carlo模拟退火和Monte Carlo并行回火两种算法之一，求解过程中同时考虑到了优先取向的影响。
·MS. Reflex QPA 
利用粉末衍射数据及Rietveld方法进行定量相分析的强大工具，可以通过多相样品的粉末衍射图判定不同组成成分相对比例的。用于化学品或医药工业中有机或无机材料组成成分的确定。
量子力学·MS.DMol3　
独特的密度泛函（DFT）量子力学程序，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、材料、化工、固体物理等许多领域。可用于研究均相催化、多相催化、半导体、分子反应等，也可预测诸如溶解度、蒸气压、配分函数、溶解热、混合热等性质。可计算能带结构、态密度。基于内坐标的算法强健高效，支持并行计算。MS4.0版本中加入了更方便的自旋极化设置，可用于计算磁性体系。4.0版本起还可以进行动力学计算。
·MS.CASTEP　
先进的量子力学程序，广泛应用于陶瓷、半导体以及金属等多种材料。可研究：晶体材料的性质（半导体、陶瓷、金属、分子筛等）、表面和表面重构的性质、表面化学、电子结构（能带及态密度、声子谱）、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）、成分无序等。可显示体系的三维电荷密度及波函数、模拟STM图像、计算电荷差分密度。MS4.0版本中加入了更方便的自旋极化设置，可用于计算磁性体系。4.0版本起还可以计算固体材料的红外光谱。
·MS.NMR CASTEP 
通过第一原理DFT理论预测NMR化学位移和电场梯度张量。方法适于计算包括有机分子、陶瓷和半导体在内的众多类型材料的分子、固体、表面的NMR位移。
·MS.VAMP　
半经验的分子轨道程序，适用于有机和无机的分子体系。可快速计算分子的多种物理和化学性质，其计算的速度和精度介于基于力场的分子力学方法和量子力学的第一原理方法。快速的VAMP程序可以为DFT程序提供了良好的初始结构以便进行精确的结构优化。经DFT优化好的结构可以用VAMP来计算各种性质和光谱。VAMP还可以向分子动力学模拟提供参数。MS4.0 版本引入了ZINDO哈密尔敦函数，可计算包含过渡金属的有机金属体系的紫外光谱。
高分子与介观模拟·MS.Synthia 
可快速预测高分子诸多性质的定量结构-性质关系软件包。对均聚物和无规共聚物可预测从迁移性质到力学性能的一系列性质。 
·MS.Blends 
Blends可用于预测溶剂和聚合物体系的可混合性，并且能够很好地给出这些体系在制造过程中的稳定性。这种模拟技术能够从二元混合物的化学结构预测出混合物的热力学性质，生成相图来确定稳定性区域。作为一个快速的筛选工具，Blends可以在缩减试验次数的同时开发出稳定的产品配方。
·MS.DPD　
耗散粒子动力学（Dissipative particle dynamics，DPD）是对包括全部流体动力学相互作用流体粒子体系进行模拟的动力学程序。势能的粗粒化处理方法使对较大时间和空间尺度体系的模拟成为可能。DPD采用周期边界条件使对无穷大体系的模拟更加有效。可以使用平面墙来研究体系受限所带来的影响，而Lees-Edwards周期边界可以用来模拟体系的剪应力过程。同时可以得到界面张力和临界胶束浓度等，也可以通过可视化界面或者数值结果来进行分析。
·MS.MesoDyn　
MesoDyn是一个介等尺度动力学方法，用于研究跨越长时间过程的大体系。此方法使用源自化学组分梯度和朗文噪音的组分密度场方法。体系的微相分离、胶束和自组装过程都可以使用MesoDyn程序进行研究。在固定几何结构的剪应力和受限影响都可以进行研究。 MesoDyn的应用包括：涂料，化妆品，混合聚合材料，表面溶剂，复杂药物传输以及其它领域。 
·MS.MesoPro　
MesoProp是一个预测具有多组分纳米结构的材料的宏观性质的新工具，可以对聚合物、表面活性剂和连续相进行研究，从而应用于表面涂层、粘合剂、密封剂、人造橡胶、水泥、复合材料、凝胶和层压板材料等的开发工作。作为一个可以将纯组分和复杂混合物的性质联系起来的研究工具，MesoProp可应用于与嵌段共聚物、聚合物表面活性剂、纳米结构聚合物混合物以及膜界面上的物理作用等相关的配方设计和模拟研究。
定量结构-性质关系·MS.QSAR 
QSAR模块是一个全面的工具集，用于在实验信息（“活性”）和分子水平特征（“描述符”）之间产生统计回归模型。可以使用Materials Studio程序来计算分子的描述符，并在性质和描述符之间建立连接关系。这个数学模型可以用于对未知材料活性的预测。也可以包括那些处理条件和配方数据的描述符。模块的附加功能允许用户研究训练集的描述符和活性之间的差异性和相关性。 QSAR的描述符包含的范围很广。它可以使用Materials Studio其他模块的描述符，包括Forcite、VAMP和FAST描述符。这些描述符使得材料的各种性质得以精确模拟。除了基本的回归算法，还可以通过灵活的遗传算法（GA）。此方法是一个用于找出多元回归最小化的理想方法，在处理大数据集的时候有着很高的价值。此方法使用“适者生存”的理论来进行工作：那些对活性有影响的描述符可以进入到下一代中，而没有影响的则消亡。保留下来的正交描述符会产生更高精确度的模型。
· MS. QSAR Plus 
在MS QSAR功能的基础上增加量化描述符以及神经网络算法。 
·MS.DMol3 Descriptor 　
使用量子力学模块DMol3计算得到的分子和周期体系的描述符，进一步扩展了QSAR的研究范围。这些与反应性相关的描述符包括原子的Fukui函数描述符，用来描述单个原子亲电性、亲核性以及对自由基反应的敏感程度；周期体系描述符包括晶格能和态密度描述符，能够很好地表征晶体的相关性质。[1]