【Materials Studio 软件】2023版本更新

自动粗粒化和珠型化

粗粒化分子动力学（CGMD），其中一组原子由单个珠子表示，越来越受欢迎，用于探测软物质系统从几十到几百纳米的结构和性质——这些尺度对于常规原子模拟来说是无法达到的。成功的 CGMD 模拟需要一组经过良好验证的力场参数来描述珠子之间的相互作用，并为每个珠子分配适当的力场类型。

在过去的 20 年中，Martini 力场^[1-3]的方法已经证明非常受欢迎，并适用于广泛的材料，最近的 Martini 3 版本^[4,5]可以声称提供迄今为止最准确的表示。Martini 3 力场可作为 Mesocite 模块的一部分使用，并且 Materials Studio 2023 提供了一组新功能，可以自动将结构从原子模型粗粒化。这大大简化了分配 Martini 3 提供的珠型所需的复杂步骤。这具有建模效率和减少珠型错误的双重好处。这些工具既可以从新脚本菜单访问，也可以以 Pipeline Pilot 协议的形式在 Materials Studio Collection 中访问。协议的包含使配置定制粗粒化过程非常高效。

图1 具有铰接结构聚合物的原子和珠表示。粗粒化工具会自动识别这些配置

新工具! 

Martini 3 工具经过改进，现在具有新的 MS Martini 3 粗粒化器功能。它直接从原子模型（见图1）生成中观结构模型，包括珠映射和力场类型，只需使用一个模板研究表。可以通过 Materials Studio Visualizer 指定自定义交互的模板文件，例如图2中所示的那些。这些模板允许复杂情况（如涉及环的铰接结构）得到表示（其中珠心通常不位于原子中心）。

提供了一个定制的 MS Martini 3 力场，包括所有必需的价项和中观结构模型，准备好用 Mesocite 进行模拟。当与 NVIDIA GPU 一起使用时，Mesocite 粗粒分子动力学也能获得显著加速。

新教程! 

一份新教程演示了如何使用粗粒化和生成自定义 Martini 3 力场协议。它通过从全原子模型开始构建中观结构所需的步骤，创建自定义珠映射模板并生成粗粒化结构和定制的 MS Martini 3 力场。

Material Studio 2023 提供了用于粗粒模拟的最先进工具，加快了设置中观材料模型的过程。

介观耗散粒子动力学

Mesocite 耗散粒子动力学（DPD）是一种流行且经过验证的方法，用于研究聚合物混合物、表面活性剂系统等软凝聚态物质的自组装过程。DPD 中体现的软势方法提供了一种非常有效的方法来达到系统的热力学平衡状态。这些材料的重要子类包括聚电解质和带电表面活性剂系统，通过在 Mesocite DPD 中包含电荷珠子之间的静电相互作用，Materials Studio 2023 可以更准确地表示这些材料。

图4 DPD中不同电荷之间的相互作用能量的表示，包括不带（上）和带（下）高斯电荷模糊

Mesocite DPD 现在通过允许使用高斯分布的电荷来模糊珠子电荷来支持静电学。这避免了当 DPD 珠子（由软有限势表示）穿过彼此时，不同电荷塌缩到奇点。在 Materials Studio 2023 中，我们还可以通过在 NVIDIA GPU 上运行 Mesocite DPD 来获得更快的动力学，并增加了两个新的分析功能：

• 从密度场计算结构因子。

• 压力分析，提供各向异性分量。

在 Materials Studio 2023 中，Mesocite DPD 模块提供了更快速地模拟更多系统的新功能。

BIOVIA Materials Studio 2023 是一种用于金属合金设计的工具。它基于 OpenPhase_Core 求解器，于 Materials Studio 2021 中引入，用于模拟硬材料微观结构。使用 PhaseField 模块，我们可以通过 Pipeline Pilot Connector 中易于使用的界面方便地定义组分相、晶粒设置、热力学和动力学输入以及温度和压力条件。这允许详细研究多组分金属合金中的相变。

能够准确预测相变是提高使用添加制造工艺创建的金属部件质量的关键。金属晶粒微观结构的大小和形状对液态金属在打印过程中固化的速率非常敏感。在固化过程中可能会出现不同比例的晶相，最终影响材料性能。Materials Studio 2023 提供了用于研究这些转变的新功能，包括：

新协议！

提供了一种新协议来计算连续冷却转换（CCT）图，可用于预测合金的临界冷却速率。该协议可以利用共同安装的 ThermoCalc 或 OpenCalphad 软件包提供 CALPHAD 热力学输入。

新功能！

时间-温度-转换（TTT）图协议现在拟合并返回每个模拟温度的 Johnson-Mehl-Avrami（JMA）系数。JMA 模型描述了固体在恒定温度下从一相转变为另一相的方式。

图5 显示金属合金凝固阶段的图像相场模拟

Materials Studio 已经提供了广泛的工具和功能，通过应用量子力学求解器（DMol3、CASTEP、DFTB+ 和 VAMP）、应用 FlexTS 模块进行化学过渡态搜索以及反应动力学预测（Cantera 和 Kinetix 模块）来理解化学反应。Materials Studio 2023 为使用 Materials Studio 来理解化学反应的科学家提供了进一步的能力，包括访问 TURBOMOLE 和它提供超越DFT方法。

新协议！

现在提供了一组协议，通过 Pipeline Pilot 协议对话框提供 TURBOMOLE 工作流，提供 DFT、xTB 和波函数方法。

• 所有方法的单点能计算

• 几何优化（使用 xTB、DFT 或 MP2）

• 过渡态优化（使用 xTB 或 DFT）

• IR 光谱/振动频率（使用 DFT）

• 极化率（使用 DFT）

• 光谱（使用 DFT）

图6 TURBOMOLE协议现在可以通过Pipeline Pilot Materials Studio Collection协议运行

新实用工具！

协议增强现在使构建自定义工作流以自动化反应模拟研究更加简单。

• 一个新的“Edit Sets”组件，允许我们在 Pipeline Pilot 中创建和管理集合。

• 脚本现在能够识别分子和片段的 SMILES 和化学名称。

• 一个用于分析模拟单元格内容或轨迹过程中不同试剂的发展情况的脚本可从新脚本菜单中获取

XPS（X射线光电子能谱）测量分子或周期结构中核心电子的激发（结合）能量。Pipeline Pilot Materials Studio Collection 2023 中提供了一种新工具，可以方便地提供光谱。该协议还提供了通过计算或实验数据方便地分配偏移量的功能。

图8 XPS协议自动从CASTEP计算生成XPS光谱

经典模拟

性能提升！更多参数！

求解器特性

Mesocite DPD 现在支持静电学，允许使用高斯分布模糊珠子电荷。

求解器性能

• Forcite GPU 计算现在支持 Embedded Atom Model。

• 对 Forcite 动力学 GPU 算法的审查导致了更新，提供了显著的性能增强。

• 我们现在可以在 NVIDIA GPU 上运行 Mesocite 耗散粒子动力学（DPD）计算。

分析

• Mesocite 和 Forcite 分析现在支持从密度场计算结构因子。

• Mesocite 和 Forcite 分析现在支持带有各向异性分量的压力分析。

参数

• COMPASSIII 水模型现在提供了对扩散系数和表面张力的更好预测。预测值现在接近实验接受值。

• MS GULP 现在相当于学术版 v6.1。

• GULP 中现在实现了新颖通用力场 GFN-FF 的周期版本。这是一个全自动极化力场，具有几乎量子力学般的准确性，如文献^[6]所述。

更多参数！更多属性！

CASTEP

• 一种用于计算核心级 XPS 光谱和绝对电子结合能的新协议

• 自旋极化（磁性）系统的振动性质的线性响应计算

• CASTEP DFT+U 不再需要为实际上不是磁性的系统设置自旋极化，使这类计算至少快两倍

• CASTEP 中现在可以进行隐式溶剂存在下的力计算。这允许我们执行几何优化、分子动力学和其他任务，同时考虑溶剂的影响

DFTB+

• 升级到版本 22.1

• 新的 DFTB+ 参数库，用于 Ti 氧化物和 Ce 氧化物

• 实现了 COSMO 隐式溶剂模型

ONETEP

• 升级到版本 6.1.12

• 实现了周期性体系的混合交换相关泛函

增强 Pipeline Pilot Materials Studio Collection

Pipeline Pilot 协议对话框提供了 Materials Studio Collection for Pipeline Pilot 中可用的增强功能，包括：

• 一组新的量子化学协议，提供 TURBOMOLE 工作流。

• 一个量子力学协议，允许我们计算 XPS 光谱。

• 一个用于选择原子和编辑集合的实用协议。

• 粗粒化协议的增强。PhaseField 协议的改进。

MaterialsScript 的增强功能

• 脚本现在能够识别分子和片段的 SMILES 和化学名称。还提供了一个脚本，用于分析模拟单元格的内容或轨迹过程中不同试剂的发展情况。

• 我们现在可以从菜单栏中的工具 > Materials Studio Scripts访问广泛准备好的 MaterialsScript 工具。这些脚本以前作为示例提供，需要手动添加到用户菜单中。

Materials Studio 基础设施

• 在 Linux 上，我们现在可以配置并使用 SSH 在 Materials Studio 客户端和服务器之间进行通信。

教程

已添加或更新以下新教程

1. 使用 Martini 3 工具和 Mesocite 进行聚合物粗粒化：

演示如何生成珠映射模板，使用 Martini 3 粗粒化器与模板一起使用，并为给定聚合物结构定制 MS Martini 3 力场。

2. 使用 Martini 3 协议进行聚合物粗粒化：

演示如何生成珠映射模板，使用粗粒化和生成自定义 Martini 3 力场协议与模板一起使用，并为给定聚合物结构定制 MS Martini 3 力场。

3. 计算分子switch的最小能量路径

4. 计算钻石的性质

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