国际前沿化学计算模拟工具市公开课获奖课件

1、 国际流行化学软件简介 量化材料篇 北京宏剑公司 .07第1页第1页材料模拟 80年代中期以来，一些新材料非预期地被发觉出来，包括高Tc铜氧化物超导体、富勒烯及其衍生物、纳米材料、超硬材料、人工低维量子结构材料等。应当看到，计算和理论对于阐明这些新材料性能起了主要作用。一些事实表明，理论和办法进步已能对实际材料性能进行理论预测。现在，研究者已处于通过理论计算来“设计”材料早期阶段。 VASP/MedeA/ PHONON ATK /VNL Materials Explorer Crystal Wien2K CODESSA/AMPAC PQS 第2页第2页 数据库其它 DNP 唯一一个天然产物源非

2、常全面化学数据库 ICSD 世界上最大无机晶体结构数据库CRYSTMET 无机材料数据库,包括化学晶体图解和文献目录数据以及与每 个研究项目相关试验细节相关内容. SC-Database 极其快速取得主要已发表金属-配体稳定常数ChemWatch MSDS Database 世界上最大独立可取得MSDSs数据库TAPP 纯化合物物理性质和热化学数据库. JCE software 涉及了非常广泛化学课程，从高中到硕士课程都涉及在内Model Chemlab 用户自定义试验，满足特定试验课需求 HSC Chemistry 世界上使用最广泛热化学计算应用软件Model Chemlab 依据pH值和吸

3、光率计算平衡常数 结构数据库化学性质及信息数据库化学教学软件热力学软件第3页第3页 显然，模拟化学数值运算与计算机化学逻辑运算结合起来进行“分子理性设计”，将是二十一世纪化学特色之一。并且，她完全顺应当前倍受化学界注重和提倡绿色化学思想，使化学成为与生态环境协调发展、更高境界化学。第4页第4页 北京宏剑公司 .07谢 谢!第5页第5页主要功效计算材料结构参数和构型计算材料状态方程和力学性质(体弹性模量和弹性常数)计算材料光学性质；计算材料晶格动力学性质(声子谱等)表面体系模拟(重构、表面态和STM模拟)计算材料激发态(GW准粒子修正)等等第6页第6页第7页第7页第8页第8页当前使用VASP两个

4、困难1、由于使用系统为linux，这就给用户操作带来了一定困难2、现在使用Linux版VASP，用户在建模和分析过程中存在很大不便，并且必须辅助其它工具才干完毕。第9页第9页MedeA MedeA-VASP Vienna Ab-Initio模拟软件包。国际上先进第一原理密度泛函代码，可在广泛范围内研究材料性质。MedeA-Phonon 可预测晶体、分子、点缺点、表面和界面晶格振动谱和热力学函数MedeA-GIBBS 能计算预测气体、气/固体系、液体、液/固体系和液/气体系热力学性质MedeA-ElectrA 可快速计算电子能带结构、态密度、光学性质和磁学性质。InfoMaticA ICSD P

5、auling Crystal Data 功效强大从试验得到结构信息、性质和计算结果中搜索引擎. 该模块涉及含有超出100,000个无机物试验晶体结构数据数据库。Interface Search：依据结构匹配原则找到异类界面和晶界，涉及到结构搜索、建模和可视化。PrediBond TM: 基于键和强度标预测催化活性第10页第10页 Materials Explorer 4.0专业材料分子模拟多功效分子动力学软件包-结合应用领域研究材料工程有力工具分子模拟分子动力学Monte Carlo 软件包Crystal Builder 无机固体及分子晶体系统Solution Modeler 轻松建立随机多组

6、分液相或气相系统Layer Cell Model 研究异相系统(气-固界面,固体颗粒边界等 NEV NTV NPH NTP 系宗模拟周期边界条件评估界面势能高级算法外部电子场应用计算能力对X射线和中子衍射干涉函数;对无定型固体进行表征;显示时间与温度,压力,内部能量等性质二维图象；显示系统快照，轨迹和动画；计算Voronoi多面体数量和表面数分析能力第11页第11页计算New integrator Hernandez (larger time step)大型输出文献 (2GB or larger)输出文献大小评估分析热导性 (仅对制陶业)原子距离X，Y，Z方向压力动能和势能图形材料平滑度(金属

7、，塑料等等)力场外视图单元可视影像新势能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/环境聚合物构建(涉及无定形体，无限链)局部旋转用户模板(晶体结构，条件)势能分布规则 Materials Explorer 4.0采用非平衡分子动力学办法，能够以更高精度算出热传导率 第12页第12页 Materials Explorer 4.0 西安交通大学多学科材料研究中心购买ME软件包，以windows系统为操作平台，实现从windows到Linux系统跨平台多CPU并行运算，依据分子动力学，蒙特卡罗法等办法，处理形状记忆合金中马氏体相

9、变机制等问题。西安交通大学多学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页第13页 CRYSTAL06CRYSTAL是研究固态晶体最流行程序之一，并且是第一个公开公布程序。 CRYSTAL程序使Hartree-Fock，密度泛函或各种混合近似办法，计算周期体系电子结构。周期体系Bloch函数作为原子中心Gaussian函数线性组合展开。程序使

11、用了强大屏蔽技术研究实空间区域。代码能够用来研究分子，多聚物，表面和晶体物理、电和磁性质，使用全电子基组或者包括有效核势价基组进行限制性闭壳层，限制性开壳层，或者非限制性计算。第14页第14页 Aluminum Hydroxides Diaspore Bayerite Gibbsite Boehmite (SPG=14) Boehmite (SPG=36) Boehmite (SPG=63)第15页第15页ChemDraw - 化学结构绘图软件，是各论文期刊指定格式。 Chem3D - 提供工作站级3D分子轮廓图及分子轨道特性分析，并和数种量子化学软件结合在一起。ChemPro- 预测BP、M

12、P、临界温度、临界气压、吉布斯自由能、logP、折射率、热结构等性质。ChemFinder - 化学信息搜寻整合系统。是一个智能型快速化学搜寻引擎，所提供ChemInfo信息系统是当前世界上最丰富数据库之一，包括ChemACX、ChemINDEX、ChemRXN、ChemMSDX，并不断有新数据库加入。 WebServer - 化学网站服务器数据库管理系统。您可将您ChemDraw、Chem3D作品发表在网站上。还提供250,000种化学品数据库。Chemoffice第16页第16页用密度泛函理论计算固体电子结构。它基于键结构计算最准确方案-完全势（线性）缀加平面波(L)APW + 局域轨道(

13、lo)办法。在密度泛函中能够使用局域（自旋）密度近似(LDA)或广义梯度近似(GGA)。WIEN 2K使用全电子方案，包括相对论影响。 WIEN2K 第17页第17页 WIEN2K 功效：键能和态密度，电子密度和自旋密度，X射线结构因子，电场梯度，异构体位移，超精细场，自旋极化，X射线发射和吸取谱，电子能量损失谱，固体光学特性，费米面，轨道极化，中心对称和非中心对称晶格等等。第18页第18页 ATK是第一原理电子结构程序，用于研究与半无限电极相连纳米结构体系电子性质。这两个电极，能够是纳米管和金属，而纳米结构体系就是这两者交界面区域。 ATK基于非平衡格林函数技术，能够对孤立体系和周期性体系进

14、行常规电子结构模拟，高效、高精度地进行几何优化。研究体系包括金属-纳米管界面，分子器件，纳米管缺点，原子线等电特性。 Virtual NanoLab使ATK输入和输出愈加直观，工作流程能够模拟真实试验过程，界面非常友好，给用户带来很大以便。Virtual NanoLab / Atomistix ToolKit 模拟和分析纳米级装置，进行原子尺度各种性质计算 第19页第19页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页第20页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页第21页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页第22页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页第23页Si-SiO2-Si interfaceSilicon - -Cristobalite - Silicon第24页第24页PQS 并行量化计算软件 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闭壳层和开壳层SCF和DFT能量、梯度计算，包括几种初始波函猜想选项；所有流行互换-相关泛函以及用户自定义泛函；用上面所有办法进行灵活高效几何优化势能面扫描 、反应路径跟踪 、布居数分析 、极化率和极化率导数 完整半经验包Pople型输入，用于快速产生输入，并与其它程序兼容 所有主要从头计算功效均实现并行化 支持Gaussian风格输入方式 第25页第25页 CODESSA是一个高级，含有全面描述符定量构效关系（QSAR）和定量构性关