报告人： 张鑫 创腾科技有限公司材料科学部技术支持专家
讲座时间：2011年12月6日14：00-16：00
讲座地点：低碳能源研究院431会议室（中国矿业大学国家大学科技园高技术中心四层）
联系电话：0516-83883350
欢迎全校师生参加！
报告简介：
Materials Studio软件是Accelrys公司的新一代分子模拟和材料设计软件，视窗化操作界面，特别适合实验科学家，可以很好地与实验结合起来，从结构上解释实验现象，再而预测，提高科研效率，可以应用在催化剂、聚合物、固体及表面、界面、晶体与衍射、化学反应等材料和化学研究领域。量子力学（QM）、Monte Carlo、分子力学(MM)、分子动力学(MD)、介观动力学(MesoDyn)和耗散粒子动力学（Mesocite）、统计方法QSAR(Quantitative Structure - Activity Relationship )等多种先进算法和X射线衍射分析等仪器分析方法的综合运用使Materials Studio成为一个强有力的模拟工具。
详细应用领域:
固体物理及表面化学
半导体、非线性光学材料、金属氧化物、电极材料、玻璃、陶瓷等固体材料，对电子工业、航空航天以及石油、化工等工业领域有着非常重要的战略意义。对这些材料而言，它们的电子结构与性质、表面和界面的性质与行为都非常重要。Materials Studio软件所提供一系列模拟技术，尤其是量子力学方法(如Dmol3、CASTEP、ONETEP等)，为深入了解固体材料的这些性质并进而设计新型材料，提供了强有力的支持工具。Materials Studio软件可用于分析化学气相沉积(CVD)过程中反应剂的气相和表面化学性质；研究分子或离子在固体材料表面或本体中的扩散、迁移过程；研究缺陷和掺杂的性质；研究材料的光、电、磁学性质等。同时，Materials Studio也可以用来模拟材料的X射线衍射、分子及固体核磁谱、Raman光谱、EELS(电子能量损失谱)等，并对它们以及高分辨透射电镜(HRTEM)、RHEED/LEED等实验数据进行解析。
高分子及软材料
高分子和软材料对众多工业领域来说都是一个重要的研究课题。Materials Studio软件可构建和表征高分子链以及晶态或非晶态本体聚合物的结构，预测包括共混行为、力学性质、扩散、内聚与润湿性以及表面粘接等重要性质。高分子模拟的核心技术是分子力学方法，其优点是可以计算较大体系的结构和性质；统计相关方法，如QSAR被用于处理计算或实验的数据，以得到有关高分子结构与性质关系的宝贵信息；同时，近几年发展起来的介观模拟方法，如MesoDyn、Mesocite、等程序可以在比分子水平更大的空间尺度——即介观水平上对材料的性质进行模拟，研究的内容包括复合材料、胶体、共混、配方以及与工艺相关的重要性质等。
催化、分离与化学反应
催化对于工业界，特别是化工和石化行业，是一项十分关键的技术，它使得高效地设计具有特定性质的化合物及优化工艺过程成为可能。分子和材料的结构与相互作用控制着催化与分离过程；无论过程中是否使用催化剂，电子结构和热化学都是影响化学反应的关键因素之一。通过把强大的分子模拟技术(包括分子力学和量子力学)与结构判定和建模工具结合，可以帮助我们对这些性质和过程加以深入了解和研究。化学反应主要由分子的结构及其电子排布所决定，通过分子模拟研究化学反应，需要化学家对反应的过程建立模型并使之可视化，而更重要的是精确计算所研究体系的热力学性质。总之，对催化、分离及反应的计算要求有两个基础：首先是对各种各样的材料和化合物建立模型的能力，包括有机分子、高分子、无机固体、金属及表面等；其次，许多工具是必需的，包括结构判定工具、模拟相互作用和输运性质的分子力学和分子动力学工具以及可准确预测电子结构和热化学性质的量子力学工具。Accelrys将所有这些工具集成到Materials Studio软件环境中，这在世界上是独一无二的。Materials Studio软件可用于对金属茂催化剂、沸石和分子筛、金属和金属氧化物在内的各种催化体系进行表征、优化和设计。
纳米材料
纳米材料、纳米结构是当今世界新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。纳米技术广泛地应用在信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防等领域，这当中元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等要求是刺激纳米材料快速发展的动力之一。Materials Studio分子模拟软件提供了多种方法来研究纳米材料：原子/分子水平的纳米尺度材料的模拟计算技术、介观尺度的纳米材料模拟技术以及线性标度量子力学方法，这些方法可以帮助研究者构建材料的纳米尺度团簇、周期性结构模型和纳米尺度粗粒度模型，并对纳米尺度基元的表面修饰改性、分子组装与自组装、液滴外延生长、介孔内延生长等行为进行研究，能够对包括金属、合金、氧化物、氮化物、碳化物、离子晶体和半导体等多种纳米材料在内的对象进行系统地计算，可以得到因为纳米尺度的因素引起的纳米材料与结构的特殊的物理与化学特性，比如高韧性纳米陶瓷、纳米药物、超强纳米金属/纤维以及异质、异相的不同性质的纳米基元(零维纳米微粒/团簇、一维纳米管、纳米棒/带/丝等)的组合等，从而可以帮助发现新现象、认识新规律、提出新概念、建立新理论、验证和发展新原理，丰富纳米材料领域的研究内涵，为构筑纳米材料科学体系的新框架奠定基础，最终实现从纳米尺度重新设计材料世界。
材料表征与仪器分析
对大多数材料研究而言，材料表征/结构判定是很重要的第一步。Materials Studio分子模拟软件可以将分析仪器手段与分子模拟技术结合起来，为了解材料的结构和性质的关系提供了强有力的工具：可以让研究人员在计算机上对仪器分析结果进行模拟，并对实验数据进行合理解析。分析实验数据可用于对模拟结构进行验证，有时还可用实验数据对结构模型进行修正。分析手段和模拟技术的结合，对于加速材料的结构确定和性质表征，以及改进模拟的效果均具有重要意义。分析仪器几乎应用于所有研究部门，如在医药、石化、化工等工业部门用衍射数据确定晶体结构；在电子工业，用EXAFS和显微电镜技术研究材料的表面、界面和缺陷；在塑料、结构材料及航天工业领域用X射线散射分析技术研究非晶态的玻璃或高聚物；以及在食品及油气勘探等工业领域应用的定量相分析技术(Quantitative Phase Analysis)。
晶体与结晶
结晶、多晶型及有机晶体结构的研究，在医药制剂、精细化学品、染料以及炸药等工业领域有着重要的应用；如何控制无机物相的结晶，也是诸如油气勘探等工业领域的研究人员在开发控制水泥固化及腐蚀防护化学品过程中遇到的课题。Materials Studio软件可研究、预测材料的晶体结构和固态性质，可用于模拟和解释晶体微粒的生长外形，预测未知晶型以及研究表面相互作用。这一领域的应用包括：表征晶体结构和多晶型结构，预测晶体生长外形，合理设计控制和抑制晶体生长的添加剂，深入了解溶剂和杂质对晶体生长的影响，筛选最佳赋型剂以及预测晶体的物理化学性质等。例如，对药物研发和生产都非常重要的多晶型问题，可以使用Polymorph Predictor程序基于药物的分子结构直接预测其可能的多晶型结构，同时结合X射线粉末衍射谱图，采用Reflex Plus程序对晶体结构进行精修，从而最终确定多晶型的结构。
QSAR（定量构效关系）与配方设计
QSAR是研究特定分子体系的主要几何和化学特征与其性质之间关系的多变量统计相关方法。通过计算和分析QSAR，可以确定影响系统性质的主要因素，从而设计和控制材料和化学品的性质。QSAR方程通过分析已知或计算的性质数据和一系列代表体系特征的描述符而建立。典型的描述符包括热力学数据(如系统能量)、各组分的比例或表示分子形状的函数(分子体积，可旋转化学键的数量等)。对于要从大量相似体系中找出最优系统的情况，QSAR是最有帮助的。配方设计即将不同的材料混合以得到性能改进的产品，被广泛应用于染料、食品、个人用品、洗涤剂、塑料及药物开发等许多工业领域。Accelrys提供了一系列的QSAR产品来帮助从事配方研究的科学家对配方进行合理设计与优化。
创腾科技有限公司
2011年11月28日
