學術干貨丨Materials Studio專題之入門級介紹

【軟件簡介】

Materials Studio是美國Accelrys公司生產的新一代材料計算軟件，是專門為材料科學領域研究者開發的一款可運行在PC上的模擬軟件。它可以幫助你解決當今化學、材料工業中的一系列重要問題。支持Windows 98、2000、NT、Unix以及Linux等多種操作平臺的Materials Studio使化學及材料科學的研究者們能更方便地建立三維結構模型，并對各種晶體、無定型以及高分子材料的性質及相關過程進行深入的研究。

Materials Studio軟件包括如下功能模塊：Materials Visualizer、Discover、COMPASS、Amorphous Cell、Reflex、Reflex Plus、Equilibria、DMol³、CASTEP。

不同專業領域的計算所用到的功能模塊不一樣。例如，使用第一性原理計算半導體或晶體性質的一般需要用到CASTEP，通過計算能帶結構、DOS、PDOS以及電荷密度來分析其結構—性能的關系。

【軟件入門介紹】

以下介紹Materials Studio軟件的基本功能，在這一部分包括：

首先進入軟件界面。

1、生成 Projects：

運行Material Visualizer，默認生成名稱為My Quickstart的Project。

2、打開并且觀察3D文檔

（1）Menus介紹 ?

File：關于文件或者Project運行的命令，例如open, save, import, export, and print。操作界面與office類似，因此方便windows使用者操作。

Edit：選擇編輯指令或者剪貼板的命令，此功能亦與office軟件中編輯欄類似。

View：修飾Materials Studio模型視圖的命令。Toolbars、DisplayStyle部分將在下邊進行詳細介紹；

其中Explorers分為三類：

(a) Jobs Explorer（工作任務狀態：一般分為setup、starting、queued、running、stopped、terminated以及succeessfully- completed）；

(b) Project Explorer（顯示項目中的文件夾、子文件夾與文件），界面十分簡明清楚。

(c) Properties Explorer：選擇一個原子（或化學鍵）等，在左下角方框中將詳細介紹該原子的信息，包括電荷、元素類型、分數坐標、自旋情況等。

Modify：當前窗口下能夠改變目標性質的命令。例如Modify Element是用于元素的替換；Modify Bond Type是化學鍵類型的改變；Modify Hybridization是雜化類型的選擇。

Build：計算鍵長鍵角、氫鍵、建立高分子模型、晶體模型、表面以及層狀結構的命令。

Tools：能夠在當前窗口下操作模型的命令。

Statistics：得到數據統計分析應用的命令。

Modules：獲得MS模型的命令。

Window：用于構建或活化當前窗口的MS模型的命令。

Help：幫助系統和在線咨詢系統。

（2）Toolbars的介紹

Standard：文件的運行操作。

3D Viewer：3D模型的瀏覽與操控。可以進行（從左到右順序依次介紹）選擇、旋轉模型、放大或者縮小模型、上下左右移動模型、重置、回到中間位置、自動調整以及風格設置。

Sketch：原子、化學鍵和環的描繪以及修飾。

Symmetry：創造、修飾和發現對稱性結構的系統。

Atoms & Bonds：繪出原子和化學鍵的操作。

Animation：在3D Viewer中控制動畫的工具。

Modules：MS模型的版塊。

(3)調整風格

在 3D 結構上單擊右鍵，并選擇 Display Style。

Display Style→Atom欄：

Line： 線狀模型。

Stick：棍狀模型。

Ball and stick： 球棍模型。

CPK：球堆砌模型。

Polyhedron：多面體堆積模型（晶體）。

Display Style→Lattice 欄：

Display：顯示單個晶胞或者元胞。

Range：顯示在 X、 Y、 Z 方向上晶胞的數量。

Lattice:顯示晶胞邊界的風格。

在 3D 結構上單擊右鍵并選擇 Lighting 選項，該選項將指定加光情況：在此選項卡內可以設定三個光源，并改變光源的照射位置（照射位置用箭頭顯示）。

3、利用Sketch工具進行畫圖或者導入晶體或金屬樣品

（1）若要繪畫小分子，可選擇Sketch直接作畫；若畫環狀有機分子，選擇SketchRing后單擊左鍵即可，亦可將風格改為球棍模型，如下圖所示。

（2）導入樣品，以純金屬Pd為例進行操作：

在子文件下邊點擊File→Import→Structures→pure-metals→Pd.msi。導入后生成如下所示結構，再可以使用3D Viewer進行旋轉或放大觀察結構。

4、結構優化

仍然以純金屬樣品Pd為例，進行結構優化。

（1）點擊CASTEP tools圖案后彈出選項框，按照指示設置。

此外More…選項中勾上Optimize cell，其它按照默認值設置。

還要注意在Metal處選項也要勾上，接著點擊Run。

（2）若是想提高優化速度，可以選擇Yes將其優化為元胞。

（3）優化成功后，Job Explorer的Status處會顯示為succeed。然后跳出小窗口提示優化已經完成。并打開自動生成的文件夾Pd CASTEP GeomOpt下的Pd.xsd，得到以下結構。我們可以在已經優化的結構基礎上根據用戶的需要進行其它的計算。

5、查看結構優化后的基本信息

優化成功后，可以在自動生成的Pd CASTEP GeomOpt文件夾下的Pd.castep中查看各種基本信息。例如，所選用的泛函與贗勢、計算時的基本設置參數等，都在其中詳細記載。

6、保存 Project 并結束

現在你已經產生了你的第一個Project文件，現在進行保存或者關閉操作。

保存操作：File→ Save Project。

關閉小窗口：Windows→ Close All。

退出MS Modeling：File→ Exit。

【小結】

本人認為Materials Studio的好處主要在于其的可視化操作，對于新手來說十分方便；加上其界面簡潔、操作簡單，是吸引用戶使用的閃光之處。然而，在計算過程中其結果與實驗值仍存在一定的偏差，因此使用時我們應該客觀性判斷數據的可用性。

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