学术干货丨Materials Studio专题之入门级介绍

【软件简介】

Materials Studio是美国Accelrys公司生产的新一代材料计算软件，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。

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

不同专业领域的计算所用到的功能模块不一样。例如，使用第一性原理计算半导体或晶体性质的一般需要用到CASTEP，通过计算能带结构、DOS、PDOS以及电荷密度来分析其结构—性能的关系。

【软件入门介绍】

以下介绍Materials Studio软件的基本功能，在这一部分包括：

首先进入软件界面。

1、生成Projects：

运行Material Visualizer，默认生成名称为My Quickstart的Project。

2、打开并且观察3D文档

（1）Menus介绍

File：关于文件或者Project运行的命令，例如open, save, import, export, and print。操作界面与office类似，因此方便windows使用者操作。

Edit：选择编辑指令或者剪贴板的命令，此功能亦与office软件中编辑栏类似。

View：修饰Materials Studio模型视图的命令。Toolbars、DisplayStyle部分将在下边进行详细介绍；

其中Explorers分为三类：

(a) Jobs Explorer（工作任务状态：一般分为setup、starting、queued、running、stopped、terminated以及succeessfully- completed）；

(b) Project Explorer（显示项目中的文件夹、子文件夹与文件），界面十分简明清楚。

(c) Properties Explorer：选择一个原子（或化学键）等，在左下角方框中将详细介绍该原子的信息，包括电荷、元素类型、分数坐标、自旋情况等。

Modify：当前窗口下能够改变目标性质的命令。例如Modify Element是用于元素的替换；Modify Bond Type是化学键类型的改变；Modify Hybridization是杂化类型的选择。

Build：计算键长键角、氢键、建立高分子模型、晶体模型、表面以及层状结构的命令。

Tools：能够在当前窗口下操作模型的命令。

Statistics：得到数据统计分析应用的命令。

Modules：获得MS模型的命令。

Window：用于构建或活化当前窗口的MS模型的命令。

Help：帮助系统和在线咨询系统。

（2）Toolbars的介绍

Standard：文件的运行操作。

3D Viewer：3D模型的浏览与操控。可以进行（从左到右顺序依次介绍）选择、旋转模型、放大或者缩小模型、上下左右移动模型、重置、回到中间位置、自动调整以及风格设置。

Sketch：原子、化学键和环的描绘以及修饰。

Symmetry：创造、修饰和发现对称性结构的系统。

Atoms & Bonds：绘出原子和化学键的操作。

Animation：在3D Viewer中控制动画的工具。

Modules：MS模型的版块。

(3)调整风格

在 3D 结构上单击右键，并选择 Display Style。

Display Style→Atom栏：

Line： 线状模型。

Stick：棍状模型。

Ball and stick： 球棍模型。

CPK：球堆砌模型。

Polyhedron：多面体堆积模型（晶体）。

Display Style→Lattice 栏：

Display：显示单个晶胞或者元胞。

Range：显示在 X、 Y、 Z 方向上晶胞的数量。

Lattice:显示晶胞边界的风格。

在 3D 结构上单击右键并选择 Lighting 选项，该选项将指定加光情况：在此选项卡内可以设定三个光源，并改变光源的照射位置（照射位置用箭头显示）。

3、利用Sketch工具进行画图或者导入晶体或金属样品

（1）若要绘画小分子，可选择Sketch直接作画；若画环状有机分子，选择SketchRing后单击左键即可，亦可将风格改为球棍模型，如下图所示。

（2）导入样品，以纯金属Pd为例进行操作：

在子文件下边点击File→Import→Structures→pure-metals→Pd.msi。导入后生成如下所示结构，再可以使用3D Viewer进行旋转或放大观察结构。

4、结构优化

仍然以纯金属样品Pd为例，进行结构优化。

（1）点击CASTEP tools图案后弹出选项框，按照指示设置。

此外More…选项中勾上Optimize cell，其它按照默认值设置。

还要注意在Metal处选项也要勾上，接着点击Run。

（2）若是想提高优化速度，可以选择Yes将其优化为元胞。

（3）优化成功后，Job Explorer的Status处会显示为succeed。然后跳出小窗口提示优化已经完成。并打开自动生成的文件夹Pd CASTEP GeomOpt下的Pd.xsd，得到以下结构。我们可以在已经优化的结构基础上根据用户的需要进行其它的计算。

5、查看结构优化后的基本信息

优化成功后，可以在自动生成的Pd CASTEP GeomOpt文件夹下的Pd.castep中查看各种基本信息。例如，所选用的泛函与赝势、计算时的基本设置参数等，都在其中详细记载。

6、保存 Project 并结束

现在你已经产生了你的第一个Project文件，现在进行保存或者关闭操作。

保存操作：File→ Save Project。

关闭小窗口：Windows→ Close All。

退出MS Modeling：File→ Exit。

【小结】

本人认为Materials Studio的好处主要在于其的可视化操作，对于新手来说十分方便；加上其界面简洁、操作简单，是吸引用户使用的闪光之处。然而，在计算过程中其结果与实验值仍存在一定的偏差，因此使用时我们应该客观性判断数据的可用性。

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