1、 國際流行化學軟件簡介 量化材料篇 北京宏劍公司 .07第1頁第1頁材料模擬 80年代中期以來，一些新材料非預期地被發覺出來，包括高Tc銅氧化物超導體、富勒烯及其衍生物、納米材料、超硬材料、人工低維量子結構材料等。應當看到，計算和理論對于闡明這些新材料性能起了主要作用。一些事實表明，理論和辦法進步已能對實際材料性能進行理論預測?，F在，研究者已處于通過理論計算來“設計”材料早期階段。 VASP/MedeA/ PHONON ATK /VNL Materials Explorer Crystal Wien2K CODESSA/AMPAC PQS 第2頁第2頁 數據庫其它 DNP 唯一一個天然產物源非

2、常全面化學數據庫 ICSD 世界上最大無機晶體結構數據庫CRYSTMET 無機材料數據庫,包括化學晶體圖解和文獻目錄數據以及與每 個研究項目相關試驗細節相關內容. SC-Database 極其快速取得主要已發表金屬-配體穩定常數ChemWatch MSDS Database 世界上最大獨立可取得MSDSs數據庫TAPP 純化合物物理性質和熱化學數據庫. JCE software 涉及了非常廣泛化學課程，從高中到碩士課程都涉及在內Model Chemlab 用戶自定義試驗，滿足特定試驗課需求 HSC Chemistry 世界上使用最廣泛熱化學計算應用軟件Model Chemlab 依據pH值和吸

3、光率計算平衡常數 結構數據庫化學性質及信息數據庫化學教學軟件熱力學軟件第3頁第3頁 顯然，模擬化學數值運算與計算機化學邏輯運算結合起來進行“分子理性設計”，將是二十一世紀化學特色之一。并且，她完全順應當前倍受化學界注重和提倡綠色化學思想，使化學成為與生態環境協調發展、更高境界化學。第4頁第4頁 北京宏劍公司 .07謝 謝!第5頁第5頁主要功效計算材料結構參數和構型計算材料狀態方程和力學性質(體彈性模量和彈性常數)計算材料光學性質；計算材料晶格動力學性質(聲子譜等)表面體系模擬(重構、表面態和STM模擬)計算材料激發態(GW準粒子修正)等等第6頁第6頁第7頁第7頁第8頁第8頁當前使用VASP兩個

4、困難1、由于使用系統為linux，這就給用戶操作帶來了一定困難2、現在使用Linux版VASP，用戶在建模和分析過程中存在很大不便，并且必須輔助其它工具才干完畢。第9頁第9頁MedeA MedeA-VASP Vienna Ab-Initio模擬軟件包。國際上先進第一原理密度泛函代碼，可在廣泛范圍內研究材料性質。MedeA-Phonon 可預測晶體、分子、點缺點、表面和界面晶格振動譜和熱力學函數MedeA-GIBBS 能計算預測氣體、氣/固體系、液體、液/固體系和液/氣體系熱力學性質MedeA-ElectrA 可快速計算電子能帶結構、態密度、光學性質和磁學性質。InfoMaticA ICSD P

5、auling Crystal Data 功效強大從試驗得到結構信息、性質和計算結果中搜索引擎. 該模塊涉及含有超出100,000個無機物試驗晶體結構數據數據庫。Interface Search：依據結構匹配原則找到異類界面和晶界，涉及到結構搜索、建模和可視化。PrediBond TM: 基于鍵和強度標預測催化活性第10頁第10頁 Materials Explorer 4.0專業材料分子模擬多功效分子動力學軟件包-結合應用領域研究材料工程有力工具分子模擬分子動力學Monte Carlo 軟件包Crystal Builder 無機固體及分子晶體系統Solution Modeler 輕松建立隨機多組

6、分液相或氣相系統Layer Cell Model 研究異相系統(氣-固界面,固體顆粒邊界等 NEV NTV NPH NTP 系宗模擬周期邊界條件評估界面勢能高級算法外部電子場應用計算能力對X射線和中子衍射干涉函數;對無定型固體進行表征;顯示時間與溫度,壓力,內部能量等性質二維圖象；顯示系統快照，軌跡和動畫；計算Voronoi多面體數量和表面數分析能力第11頁第11頁計算New integrator Hernandez (larger time step)大型輸出文獻 (2GB or larger)輸出文獻大小評估分析熱導性 (僅對制陶業)原子距離X，Y，Z方向壓力動能和勢能圖形材料平滑度(金屬

7、，塑料等等)力場外視圖單元可視影像新勢能Erkoc (LJ) for the metal cluster (Cu, Ag, Au, La, Lu, U)HaliciogluPound (LJ) for the cubic metal (Al, Ca, Au,Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Cu, Cr, Fe, Li, Mo, W, Na, K)FlahiveGraham (Morse) for the bcc and fcc metal (alpha-Fe, Mo, Nb, Ta, V, W, Ag, Au, Cu, Ir, Pb, Pt, Rh, Ni, Pd)AMBER Para

8、m96, Param98, Param99 for protein,KKY for water, Klein McDonald HFJ for HF建模/環境聚合物構建(涉及無定形體，無限鏈)局部旋轉用戶模板(晶體結構，條件)勢能分布規則 Materials Explorer 4.0采用非平衡分子動力學辦法，能夠以更高精度算出熱傳導率 第12頁第12頁 Materials Explorer 4.0 西安交通大學多學科材料研究中心購買ME軟件包，以windows系統為操作平臺，實現從windows到Linux系統跨平臺多CPU并行運算，依據分子動力學，蒙特卡羅法等辦法，處理形狀記憶合金中馬氏體相

9、變機制等問題。西安交通大學多學科材料研究中心成功案例1、Xiangdong Ding, Tetsuro Suzuki, Xiaobing Ren et. al., Precursors to stress-induced martensitic transformations and associated superelasticity:Molecular dynamics simulations and an analytical theory. PHYSICAL REVIEW B 74, 104111 ().2、X.D. Ding, T. Suzuki, J. Sun et. al., S

10、tudy on elastic constant softening in stress-induced martensitic transformation by molecular dynamics simulation. Materials Science and Engineering A 438440 () .第13頁第13頁 CRYSTAL06CRYSTAL是研究固態晶體最流行程序之一，并且是第一個公開公布程序。 CRYSTAL程序使Hartree-Fock，密度泛函或各種混合近似辦法，計算周期體系電子結構。周期體系Bloch函數作為原子中心Gaussian函數線性組合展開。程序使

11、用了強大屏蔽技術研究實空間區域。代碼能夠用來研究分子，多聚物，表面和晶體物理、電和磁性質，使用全電子基組或者包括有效核勢價基組進行限制性閉殼層，限制性開殼層，或者非限制性計算。第14頁第14頁 Aluminum Hydroxides Diaspore Bayerite Gibbsite Boehmite (SPG=14) Boehmite (SPG=36) Boehmite (SPG=63)第15頁第15頁ChemDraw - 化學結構繪圖軟件，是各論文期刊指定格式。 Chem3D - 提供工作站級3D分子輪廓圖及分子軌道特性分析，并和數種量子化學軟件結合在一起。ChemPro- 預測BP、M

12、P、臨界溫度、臨界氣壓、吉布斯自由能、logP、折射率、熱結構等性質。ChemFinder - 化學信息搜尋整合系統。是一個智能型快速化學搜尋引擎，所提供ChemInfo信息系統是當前世界上最豐富數據庫之一，包括ChemACX、ChemINDEX、ChemRXN、ChemMSDX，并不斷有新數據庫加入。 WebServer - 化學網站服務器數據庫管理系統。您可將您ChemDraw、Chem3D作品發表在網站上。還提供250,000種化學品數據庫。Chemoffice第16頁第16頁用密度泛函理論計算固體電子結構。它基于鍵結構計算最準確方案-完全勢（線性）綴加平面波(L)APW + 局域軌道(

13、lo)辦法。在密度泛函中能夠使用局域（自旋）密度近似(LDA)或廣義梯度近似(GGA)。WIEN 2K使用全電子方案，包括相對論影響。 WIEN2K 第17頁第17頁 WIEN2K 功效：鍵能和態密度，電子密度和自旋密度，X射線結構因子，電場梯度，異構體位移，超精細場，自旋極化，X射線發射和吸取譜，電子能量損失譜，固體光學特性，費米面，軌道極化，中心對稱和非中心對稱晶格等等。第18頁第18頁 ATK是第一原理電子結構程序，用于研究與半無限電極相連納米結構體系電子性質。這兩個電極，能夠是納米管和金屬，而納米結構體系就是這兩者交界面區域。 ATK基于非平衡格林函數技術，能夠對孤立體系和周期性體系進

14、行常規電子結構模擬，高效、高精度地進行幾何優化。研究體系包括金屬-納米管界面，分子器件，納米管缺點，原子線等電特性。 Virtual NanoLab使ATK輸入和輸出愈加直觀，工作流程能夠模擬真實試驗過程，界面非常友好，給用戶帶來很大以便。Virtual NanoLab / Atomistix ToolKit 模擬和分析納米級裝置，進行原子尺度各種性質計算 第19頁第19頁Uniqueness ofAtomistix software Other quantum based software can model either isolated molecules or periodic sys

15、tems Atomistix can model complex nanostructures combining molecules with periodic systems and macroscopic elements Atomistix software is unrivaled in modeling the electrical properties of complex nanoscale components and systems Gaussian-03VASP第20頁第20頁Slope 1.76planarrotatedTakao Ishida et al., J. P

16、hys. Chem. B 106, 5886 ()C.C. Kaun, B. Larade, H.Guo, PRB 67, 121411 ()Resistance of insulating wires第21頁第21頁Change of Conductance with Length of WireY. J. Lee, M. Brandbyge, M. J. Puska, J. Taylor, K. Stokbro, P. Ordejon, and R. M. Niemenen., Phys. Rev. B 69, 125409 ().R. H. M. Smit, C. Untiedt, G.

17、 Rubio-Bollinger, R. C. Segers, and J. M. van Ruitenbeek, PRL 91, 76805 ().第22頁第22頁eBias: 2Volt. Constant electron density (0.02 e/a03) surface. The voltage drop is shown in a plane as contours.Bias: 2Volt. Change in electron density from 0 to 2V (0.002 e/a03).Non-equilibrium forcesThe size of the f

18、orces for 12 V bias: 0.51 nN Details depend on electrode (100)/(111)Increase in electron density and bonding between atom 2 and 3Increase in positive charge on atom 2The voltage drops between atom 1 and 21 2 31 2 3M. Brandbyge, K. Stokbro, J. Taylor, J.-L. Mozos, and Pablo OrdejonPhys. Rev. B Rapid

19、Comm. 67, 193104 (). 第23頁第23頁Si-SiO2-Si interfaceSilicon - -Cristobalite - Silicon第24頁第24頁PQS 并行量化計算軟件 System & formulaJob typeSymm.Nbfa4 proc.8 proc.lactic acid C3H6O3B3PW91/DZVP2-DFT E+FREQC11204.32.9SeP(CH3)3RHF/Large E Cs1740.40.2Fe(CO)5B3LYP/m6-31G* OPT(5)b+FREQD3h1868.3-Cr(acac)3 C15H21O6CrUB3LYP/LANL2DZ OPT(8)b + FREQD32536036C60BLYP/3-21G OPT(8)b + FREQOh5406737閉殼層和開殼層SCF和DFT能量、梯度計算，包括幾種初始波函猜想選項；所有流行互換-相關泛函以及用戶自定義泛函；用上面所有辦法進行靈活高效幾何優化勢能面掃描 、反應路徑跟蹤 、布居數分析 、極化率和極化率導數 完整半經驗包Pople型輸入，用于快速產生輸入，并與其它程序兼容 所有主要從頭計算功效均實現并行化 支持Gaussian風格輸入方式 第25頁第25頁 CODESSA是一個高級，含有全面描述符定量構效關系（QSAR）和定量構性關