Materials Studio整体介绍及应用案例(高分子、含能材料、化学反应)

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第一名：10000元
奖学金
第二三名：5000元
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创腾科技特为大家提供一个快
速获得和阅读文献的交流学习平台，我们将收集MS软件使
用者发表的SCI英文文章的中文精炼版，并将其分类整理汇总展示在创腾科技网站上凡参与活动的您都将收到创腾科技邮寄的奖品及定期的文献投送
总，展示在创腾科技网站上，提供阅读和下载功能参与方式：登陆创腾科技网站奖学金页面/service/jiang.aspx ，下载word
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第二级
第三级第四级
第五级
M aterials S tudio
多功能多尺度分子模拟软件Copyright ©2014, Neotrident Technology Ltd. All rights reserved.
创腾科技技术部许立芳
2014年5月28日
一、选择合适的方法和模块---什么是分子模拟
主要内容
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式
MS模拟软件简介
二、MS的应用与新发展1、量子力学模块的应用
2、大体系研究的新方法
3、分子力学动力学介观模块的应用
4、分析表征手段
高分子、含能材料、催化反应、金属合金
一、选择合适的方法和模块---什么是分子模拟
主要内容
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式
MS模拟软件简介
二、MS的应用与新发展1、量子力学模块的应用
2、大体系研究的新方法
3、分子力学动力学介观模块的应用
4、分析表征手段
M aterials
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单击此处编辑母版副标题样式金属材料无机非金属材料有机小分子高分子材料
各种实验设备+ 各种分析设备
材料性能S tudio
传统试验vs. 虚拟试验
C l 个候选物中找到新的共混材料但是由分子模拟的优点—降低时间和费用成本
塞拉尼斯公司是全球领先的化工技术和特种材料公司
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式Celanese 公司需要从300个候选物中找到新的共混材料。

但是由于此类试验周期长(试验周期从1个月到1年不等)，试验投入大(据IDC 调查，每个试验约花费500-30000美元，我们这里选取1000美元)。

所以Celanese 公司使用虚拟试验方法对候选物进行预处理，并从中选出了30个最佳候选物进行试验，并最终得到所需材料。

试验次数试验周期成本(美元)
左右N. Quirke, Mol. Sim ., 2001(26)1
传统试验30025年30万左右虚拟试验302年半3~4万
客户
Materials Studio Materials Studio————单击此处编辑母版标题样式
单击此处编辑母版副标题样式
优势一：MS 是整合的计算模拟平台
介观动力学
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式
量子力学
分子力学、动力学
•多尺度，应用领域全面
•Castep •Forcite plus •Gulp ••MesoDyn
•Mesocite
量子力学分子力学、动力学介观动力学优势一：MS 是整合的计算模拟平台
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Materials Visualizer •Dmol3•Onetep •Qmera •VAMP •DFTB+
COMPASS
•Amorphous Cell
•Sorption
•Reflex plus •Xcell •Polymorph Predictor
•Morpholog
•QSAR 晶体学
构效关系
Menu
Toolbar
优势二：简单易用的界面
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式View
Property
Project
Job status
优势三：方便多样的建模工具
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团簇
分子筛丙烯分子聚合物分子链聚合物体系复合材料CH 2CHOH CH 3COH
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式
TS
R P
优势四：高水平文章的录用
迄今为止，全球各地科学家使用M aterials S tudio 发表了近11500篇论文，包括像Nature 、Science 、Nature Materials 、Nature Chemistry 、PNAS 、Progress in Surface Science 单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式y g 、ACS Nano 、Small 、Physical Review Letters 、Applied Physics Letters 、Phil.Trans.Royal Soc.A 、Nanotechnology 、、J.Am.Chem.Soc.、Proc.Nat.Acad.Sci.、Physical Review A 、Physical Review B 、J.Appl.Phys.、Journal of Chemical Physics 、Chemical Physics Letters
、Nature
Nanotechnology 、Chemical Society Reviews 、Nanoscale
Research Letters 、Nanoscale 等知名期刊。

查文献链接/
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MS 1.0Jun 2000MS 3.0Dec 2003MS 3.2
Mar 2005MS 1.2May 2001MS 2.1Apr 2002MS 4.1Dec 2006优势五：强有力的技术支持和完善的售后服务MS 4.3Mar 2008
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式Visualizer MS 1.1Dec 2000Reflex Plus MS 2.0Oct 2001DMol 3CASTEP Polymorph MS 3.1Oct 2004Forcite Plus Morphology Synthia NMR-CASTEP MS 4.0Dec 2005HP Morphology (Crystal Graphs)Sorption Reflex QPA
ZINDO VAMP Neural Nets Analog Builder
Equilibria VAMP MS 2.2Oct 2002MesoDyn Forcite X-Cell MS 4.2Jun 2007Gaussian ®Interface Adsorption Locator Amorphous Content Scripting: DMol 3, Polymorph, Reflex Mesotek MS 4.4
Dec 2008
Mesocite
Core Level
Spectroscopy ,DFTB+,
B3L YP:CASTEP ,
Workfunction
Discover COMPASS Amorphous Cell Reflex QSAR GFA Blends DMol 3Descriptors DPD Conformers Cation Locator Server Scripting CSD ConQuest GULP Gateway Security
ONETEP QMERA Motif
CASTEP LDA+U
Force Field Editor
Meso Builders
MS 5.0Dec 2009MS 5.5
Sep 2010MS 6.0Dec 2011优势五：强有力的技术支持和完善的售后服务MS 6.1Dec 2012MS 7.0
Dec 2013
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式
Raman spectrum
TDDFT……..DFTB+……..Pipeline Pilot protocols
Materials Studio 7.0 !!!
PBEsol
Forcite plus parallel
Amorphous cell
MS Gateway 优势六：灵活的运行方式
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式硬件：PC
Job is running …Server
Job is finished !
MS Gateway Workstation
HPC Server
系统：Windows 7/2008 (64bit)Redhat Enterprise 5.7 ~ 6.3
SuSE 10(SP3,SP4)/11(Base,SP1)
硬件：PC Laptop Workstation 系统：Windows Vista (Professional)Windows 7 (Professional)一、选择合适的方法和模块---什么是分子模拟
主要内容
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MS模拟软件简介
二、MS的应用与新发展1、量子力学模块的应用
2、大体系研究的新方法3
3、分子力学动力学介观模块的应用
4、分析表征手段
量子力学方法
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单击此处编辑母版副标题样式1、体材料的光、电、磁性——纯金属体系、金属间化合物、硅酸盐体系、半导体、陶瓷、氧化物等2、合成、催化与表面化学——反应机理、催化剂设计
3、分析表征手段——IR、拉曼、声子谱、EELS谱、紫外
谱、NMR谱4、低维材料——石墨烯、纳米团簇、纳米线等
基于：诺贝尔化学奖-密度泛函理论
量子化学理论和计算的丰硕成果被认为正在引起整个化学的革命。

是目前许多计算得以实现的先决条件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式密度泛函理论(Density Functional Theory) Hohenberg-Kohn 定理
H ψ= E ψ
定态薛定谔方程Erwin Schrödinger
两个定理：多电子体系的基态总能量都是电荷密度的唯一函数Walter Kohn 两个定理：多电子体系的基态总能量都是电荷密度的唯函数电子密度确定了，体系的基态性质就唯一确定了()[]()[]r n E r r E N
=ψ,...1()[]()[]()[]()[]
r n E r n U r n T r n E xc ++=0
CASTEP 计算所得晶格常数与实验值比较
1416
181 lattice parameters
for crystals containing
elements across the
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式681012C a l
c u l
a t i
o n alloy
halide
metal
misc
oxide
rare gas solid
semiconductor
elements across the periodic table
2
40246810121416
Experiment
silicide
•使用平面波赝势
•由Cambridge 大学Mike Payne 教授发布
•每年发表的数百篇论文
CASTEP 是领先的固态DFT 程序
单击此处编辑母版标题样式
单击此处编辑母版副标题样式其研究领域包括：
•晶体材料结构优化及性质研究（半导体、陶瓷、金属、分子筛等）
•表面和表面重构的性质、表面化学•点缺陷性质（如空位、间隙或取代掺杂）、扩展缺陷（晶体晶界、位错）
•电子结构（能带、态密度、声子谱、电荷密度、差分电荷密度及轨道波函分析等）•光学性质(反射率、吸收谱、折射率、介电函数、传导率等)
•磁性材料研究
•材料力学性质研究
•材料逸出功及电离能计算
•STM 图像模拟
•红外/拉曼光谱模拟；声子谱和声子态密度；EELS 谱图；
•反应过渡态计算
•动力学方法研究扩散路径
丰田Toyota 公司设计新型合金材料
设计目标：新一代汽车、航空航天科技应用的合金材料
重量轻，强度足够大，较高的杨氏模量
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式
存在困难：实验技术-----过程冗长，成本高
合金繁多的配比和繁重的合成、测量等工作
解决方案：采购了Materials Studio先进的虚拟模拟软件对不同配比的合金材料的密度强度以及其他重要的热力学力学参数进对不同配比的合金材料的密度、强度以及其他重要的热力学、力学参数进行预测
方案评价：得出的数据精确度完全在实验许可范围之内，从而大大降低了研发成本，缩短了新材料设计周期
丰田Toyota 公司设计新型合金材料
Toyota研究人员设计以金属Ti为基的合金Ti 1-m X m ，
（X = V, Nb, Ta, Mo, W）
Materials Studio 可以便捷地改变这些合金的配方比例得到每个配方比例合单击此处编辑母版标题样式
单击此处编辑母版副标题样式经过一系列的计算，可以筛选得到一些非常有希望的配方比例，比如：Ti 0.75W 0.25，Ti 0.25W 0.75，Ti 0.75Mo 0.25，Ti 0.5Mo 0.5，Ti 0.25Mo 0.75借助Materials Studio ，可以便捷地改变这些合金的配方比例，得到每一个配方比例合金的力学常数、稳定性、弹性常数等重要性质
Ti
W
Ionicities of Boron-Boron Bonds in B 12Icosahedra
研究背景
离子性是电荷在空间分布对称程度的度量。

纪年美科学家林(年诺尔学奖得)基
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式
20世纪30年代，美国科学家鲍林(1954年诺贝尔化学奖得主)基于两种原子的电负性差提出了第一个离子性标度，20世纪60年代美国科学家菲利普斯基于化学键的介电理论又提出了一个新的并被广泛采用的离子性标度。

根据些典的学离存在由原构成的学根据这些经典的化学键理论，离子性只存在于由不同原子构成的化学键当中，在这些具有离子性的化学键上伴随着电荷转移发生。

在该理论框架内，同种原子形成的化学键并不表现出离子性。

PRL 94, 015504
作者根据第一性原理模块CASTEP的计算结果,建立了一系列求解共价晶体，离子晶体的硬度理论模型。

（PRL）
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式
在计算含有B 12二十面体的富硼固体硬度时作者发现：当像经典化学键理论那样将B 12二十面体中B-B键的离子性取为0时，富硼固体的硬度比实验值高20～44％。

为此作者猜测B 12二十面体中的B-B键有可能具有离子性。

并用第一性原理CASTEP模块计算
电荷密度验证这一猜测。

提出了新的离子性标度
Ionicities of Boron-Boron Bonds in B 12Icosahedra
单击此处编辑母版标题样式
单击此处编辑母版副标题样式123 456原子称为两极原子
【Bp】
7-12称为赤道原子【Be】(a) (100) 面u 键两中心共价键电荷密度集PRL 94, 015504 (2005)()()中中在化学键中间; w
键电荷密度由键的重心向二十面体重心C 移动(b) Be-Be 键电荷密度显示出三次旋转对称性(c) 电荷密度在Bp-Bp-Be 三角内存在不对称性特征; (d)电荷密
度在Bp-Be-Be 三角内也出现了不对称性特征Ionicities of Boron-Boron Bonds in B 12Icosahedra
PRL 94, 015504 (2005)
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P 为化学键的重叠布居数，Pc是具有相同成键类型的纯共价键的布居数。

作为了验证布居数离子性的正确性，作者计算了富硼固体B6O 和B13C2的硬度。

他们的硬度分别为42GPa 和44GPa 与实验测试结果45GPa 和45Gpa 较吻合。

第一性原理分子动力学模拟研究Mg-Zn体系晶体-
非晶体转变Fi i i l l l d i i l i d h
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式
First-principles molecular dynamics simulations to study the crystal-to-amorphous transition in the MgeZn system
Intermetallics 29 (2012) 75-79
Ye Dai, Jiahao Li, Baixin Liu*
Tsinghua University , Beijing 100084, China
无序凝聚态物质的发现开创了一个新的物理领域，包括如非晶合金，金属玻璃等的研究。

在这一领域仍有未解决的问研究背景
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式
题，如非晶固体的形成机制，结构和性质等。

在已有报道中第一性原理分子动力学成功的被用于金属液体的结构与性质的研究。

以急冷方式得到的非晶Mg-Zn合金体系具有优异的以其优异的抗腐蚀性能。

本文的研究工作从第一性原理动力学模拟出发，以Mg-Zn 合金为研究对象，发展适当的理论预测二元合金玻璃相的形成。

构建Mg基和Zn基固溶超晶胞，每个含4*4*4=64个原胞，共有128个原子。

设计选取的固溶原子以随机取代的方式添加到模型中。

固溶含量以3.125at.%为间隔点
计算模型和方法
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式模块：CASTEP
计算参数：交换关联泛函GGA
赝势：超软截断能：380eV 收敛标准：总能量10-6eV/atom.K 点2*2*1
控温方法：Nose Hoover
控压方法：Parrinelloe Rahman
步长：1fs 总时间：1000步
模拟压力0GPa 模拟温度300K （温度低于熔点，用以避免合金在熔点或者结晶温度点的复杂反应不同Zn浓度的富镁Mg-Zn合金的高温结构
1 当Zn 浓度较低时，Mg 基hcp 固溶晶格能保持其
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式2 当Zn 的浓度增加到18
at.% Mg 基hcp 晶格开始
出现无序现象
初始的晶态结构3 Zn 浓度达到25 at.%,Mg 基hcp 合金晶格坍塌转变
为无序态。

Mg基
对相关函数关联结构无序
作用：对相关函数可反映结构的无序性
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式hcp晶格可以在Zn浓度
在0-22 at%区间内维持其晶态特性。

Zn的含量超过25 at.%时晶格完全坍塌----无序。

结论：Zn在富镁固溶体中的临界固溶浓度为25 at.%.富镁Mg-Zn 合金的对相关函数
不同Mg浓度的富锌Mg-Zn合金的高温结构
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Mg 的含量达到31%时，Zn基Mg-Zn转变为非晶态Mg在Mg-Zn合金中的临界固溶浓度为31%
–使用高效、紧凑的数值轨道基组
–能够处理气相、溶液以及固体、表面的分子
–由Paul Sherrer 学院的Bernard Delley 教授发布
MS Dmol 3---第一个商业化DFT 程序
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式–应用领域包括催化、沸石和微电子学研究
研究领域电子结构的解析
反应过渡态，中间态的搜索，优化
基于全部或部分Hessian矩阵的振动频率计算M llik Hi hf ld以及ESP电荷的计算键级分析电极矩计算Mulliken，Hirshfeld以及ESP电荷的计算，键级分析，电极矩计算生成热，自由能，熵，热容以及ZPVE的计算
支持溶剂化模型COSMO
红外/拉曼光谱，紫外－可见光谱
Fukui函数
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式氟掺杂的单壁硅碳纳米管的密度泛函研究Density Functional Study of Fluorinated Single-Walled Silicon Carbide Nanotubes
香港城市大学
Xiao Wang and K. M. Liew
J. Phys. Chem. C 116 (2012)1702–1708
影响因子4.805
研究背景
纳米管具有独特的物理性质，是纳米电子学领域的理想的候选应用材料。

为了满足各种实际需要，大量的理论和实验研究致力于使用各种方法剪裁和控制纳米材料的电子性质。

在这些方法中，通过原子、分子和分子群的化学成键，掺杂和功能
化纳米管视为剪裁它们的电子结构的一个可行的方法。

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SiCNT(8, 0) 示意图SiCNT(8, 0) 和SiCNT(6, 6) 能带结构DMol3
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F-掺杂的SiCNT(8, 0)：(a) F 原子吸附在C 位上；(b) F 原子吸附在Si 位上
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吸附能表明:F更容
易吸附在Si位置
判断导电性的变化--考虑自旋极化的能带结构
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F-吸附的SiCNT(8,0)：(a)F原子吸附在C位上；(b)F原子吸附在Si位上结果表明F原子吸附在Si位造成费米能级下移,改变了硅碳纳米管的电学和磁学性质.
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(a)SiCNT(8,0)的靠近F-Si-C吸附位的局部图；(b)F-Si-C吸附组态的DOS和PDOS图
基元反应： A + BC AB + C
过渡态？
化学反应机理探索
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式 能 量 鞍点过渡态
A····B····C 反应物A + BC 产物AB + C ∆E 1∆E 2∆E 1 ─ 正反应活化能
∆E 2 ─ 逆反应活化能
确定过渡态有助于了
解反应机理，以及通
过势垒高度计算反应一般来讲势
反应坐标
配合物1A····BC 配合物2
AB····C
速率。

一般来讲，势垒小于21kcal/mol 就可以在室温下发生。

Cr催化乙烯三聚反应的机理研究
3萨索尔公司
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Sasol公司使用Accelrys公司的DMol 软件，对乙烯单体在Cr基催化剂作用下，发生三聚反应的机理进行了研究。

计算结果不仅详细阐明了反应发生的机理，而且对配体的一般性要求进行了探索性研究。

计算表明金属环化过程在能量上是有利的，而金属环化生长反应是整个反应的速控步骤。

Sasol公司认为，此计算结果能够帮助科研人员设计更好的α-石蜡催化剂。

Organometallics ，1207-1222
乙烯三聚反应机理
Path1
单击此处编辑母版标题样式Path3
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Path2
反应路径1 —> 2
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式
反应路径3 —> 4
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式
反应路径4 —> 5
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式
反应路径能量图
)
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式G1TS1G2
TS2G3TS3
G4
E n e r g y (
K c a l /m
o l
01020-1020Barrier Energy ：Kcal/mol
33.119.112.5Reaction Coordinate
-20吡咯环成键方式对催化性能的影响
c a
l
/m
o l
)
20
η-pyrrole σ-pyrrole
∆E 单击此处编辑母版标题样式
单击此处编辑母版副标题样式
Reaction Coordinate E n e
r g y
(
K 010-10-20∆G
η-pyrrole σ-pyrrole
∆G -18.9-13.4
∆E 25.021.8
eact o Coo d ate
不同配体对催化性能的影响
c a
l
/m
o l
)
20
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Reaction Coordinate
E n e
r g y (
K 010-10-20∆E
∆G
-Cl -ClAlMe 3
∆G -20.9-13.4
∆E 29.121.8
Reaction Coordinate 结论
配体的影响：
采用Cl阴离子作为催化剂配体将导致反应能垒的升高从
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式
采用Cl阴离子作为催化剂配体，将导致反应能垒的升高，从而不利于乙烯三聚反应的发生；而使用较大的ClAlMe 3阴离子作为配体，则能有效降低反应能垒。

成键方式的影响：
如果吡咯配体与Cr原子以η键方式结合，从热力学角度来讲对整个反应更加有利；若是以σ键方式结合，同时采用ClAlMe 3阴离子作为配体，则对有利于金属环化生长过程。

Orbitals -预测反应性
对于使用数值轨道的DMol 3模块，在计算后能够给出整个体系的分子轨道信息。

对于单个分子而言，这些分子能够帮助我们判断电子的可能跃迁(需要用到群论知识)；对于反应而言，也可以使用福井谦的前线轨道对称守恒原理判断反应发生的区域单击此处编辑母版标题样式
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福井谦一的前线轨道对称守恒原理，判断反应发生的区域。

LUMO
HOMO
..where reaction takes place!
DMol 3中Fukui 函数
功能
增加对周期性结构的支持
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优越性
用于预测表面以及介、微孔材料的活性位点
一、选择合适的方法和模块---什么是分子模拟
主要内容
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MS模拟软件简介
二、MS的应用与新发展1、量子力学模块的应用
2、大体系研究的新方法3
3、分子力学动力学介观模块的应用
4、分析表征手段
大体系模拟解决方案
模拟对象有上千个原子，关注其电子结构，基础量子力学模块不能解决了，怎么办？
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研究反应的量子力学的动力学方法计算效率太低了，怎么办？1、DFTB+ ONETEP 模块
2、Qmera 量子力学和分子力学杂化的跨尺度模拟
DFTB+
密度泛函紧束缚方法
DFTB+是Materials Studio 6.0中推出的新模块
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式可描述电子结构、DFTB 方法融合了DFT 的精度和TB 的高效性纳米颗粒、生物分子等较大体系1单点能计算2结构优化3动力学计算4参数化
5 输运性质
可以处理数千个原子的体系（周期性+非周期性体系）可基于原子进行参数化且参数具有可转移性、1能带结构2态密度3电子密度4轨道5 布居分析n +n’
(1)
原理
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式
Electronic
part n ＝n 0+n (2)Repulsive
part
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式
DFTB+计算的效率和精度
DFTB+ PK DMOL3碳纳米管
DFTB+ 208s
CASTEP 43310s
DFTB+ PK CASTEP
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式CASTEP DFTB+
CASTEP 43310s 208倍6.69eV a=b=c 3.5715A 3.5896A
角度9090
极端条件下的固态含能材料PETN的化学
应用案例
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式
A Molecular Dynamics Study of Chemical Reactions of Solid Pentaerythritol Tetranitrate at Extreme Conditions
反应分子动力学研究
人们对于由C、H、N和O组成固态含能材料如PETN、HMX、RDX 和TATB的具体分解路径一直保有浓厚的兴趣。

研究背景
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式在这些材料中PETN是极猛烈的炸药，已有的研究表明PETN 的主要气相爆炸产物为H 2O、CO 2和N 2,然而对于反应所涉及的具体步骤仍有待进一步的探讨。

当前实验条件的限制不能解决以上问题，分子动力学模拟可以研究化学反应，为探讨此类材料
的反应过程提供了一个可行的途径。

研究内容：PETN固体在CJ点完整的反应过程，条件为密度2.39g/cc，温度T=4200K。

[CJ condition:the sonic point behind the detonation wave where chemical equilibrium is established,an example of an extremecondition]
研究方法：SCC-DFTB分子动力学（MD）
模型搭建：基于实验分析结果搭建模型
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(a)116 atoms (b) 238atoms
参数选择：系综NVT 温度T= 4200 K 步长0.48 fs 每20步输出一帧
总的模拟时间>71ps
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动力学模拟的整个过程中按存在时间排序得到最重要的中间体
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g p y
Figure5.Reaction pathways observed for formation
of H2O and CO from DFTB simulations.
H2O, CO2and N2浓度随时间的变化关系
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式
H 钝化的硅纳米棒－大尺寸的第一性原理和紧束缚
单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式
密度泛函方法的计算
J. Phys.: Condens. Matter 22(2010) 025303
•Si 纳米晶体颗粒具有很多优异性质，具有广泛应用，如场效应晶体管和二极管、生物传感器的荧光成像和光伏太阳能电池能量转换装置等。

而Si 纳米晶体颗粒的物理化学性质均与其表面化学结构纳米尺寸以及纳米形状有关当尺寸达到纳米尺单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式化学性质均与其表面化学结构、纳米尺寸以及纳米形状有关。

当尺寸达到纳米尺度时，表现出的性质与体相结构有很大差异。

而H 钝化的Si 纳米材料结构模型相对较为简单，对其理论研究较有意义。

•本文采用DFT 理论计算1648个原子组成的Si 纳米棒材料，采用了DFTB+模块优化结构，ONETEP 模块计算电子学性质。

考察了具有不同纵横比以及表面H 钝化情况的纳米棒材料的性质。

单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式
•密度泛函紧束缚方法DFTB+对体系进行优化
•线性标度量子力学程序ONETEP 计算体系能量和电学性质（1648个原子，不同纵横比及不同表面H钝化情况）
Si纳米材料的带隙受到Si纳米结构的直径、表面结
构、生长方向的影响。

Si纳米结构的带隙与光学性质直接相关。

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•随着直径的增加，Si纳米材料的带隙减小
•表面重构的结构有更小的带隙
ONETEP 模块
•ONETEP: 线性标度密度泛函应用程序
•可执行对数千个原子体系进行量子力学
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单击此处编辑母版副标题样式计算
•可同时调用数百个CPU 进行并行计算
•可计算结构、能量、电荷密度、分子轨道和态密度等
•可对复杂体系进行几何优化和过渡态搜
索•可以处理f-电子(目前只有Ce 和Sm)
•研究的体系包括结构材料、催化剂、电
子材料、生命科学等
Application to Nanotubes
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CASTEP。