源资培训班课程-材料模拟计算介绍与应用

国家自然科学基金委员会、中科院前沿科学与教育局、中国工程院化工、冶金与 材料工程学部等有关领导，以及王崇愚、陈立泉、吴以成、祝世宁、严纯华、李 言荣、南策文、李亚栋、薛群基、江东亮、谢毅等院士参加会议。
如何解决材料领域中的问题
明确研究课题 明确关键变量 推测机理 明确关键性质
确定所需精度
创建模型
借助软件完成
结果数据需要下载 并使用第三方软件处理
某些性质需要结合第三方计 算软件
MedeA® VASP中的具体参数设置
MedeA ® -VASP结果数据自动返回
输入文件、 相关计算性质的 输出结果
输出结果汇总
26
MedeA® VASP——可视化结果分析
TiO2-锐钛矿晶胞电子密度、能带结构、态密度
27
MedeA® VASP——可视化结果分析
广泛应用于固体，表面、界面和分子等各种体系的研究 第一性原理量子力学与分子动力学计算模拟软件
以贋势与平面波基组为理论基础
支持多种泛函，如杂化泛函，范德华密度泛函等
可实现大规模高效并行运算
MedeA® VASP——量子力学
采用周期性边界条件(或超原胞模型)处理原子、分子、团簇、纳米 线(或管)、薄膜、晶体、准晶和无定性材料，以及表面体系和固体。
计算模拟 分析性质
No
是否具有足够 的精确度？是 否符合推理？ 解决问题
Yes材料模拟软件要求 Nhomakorabea创建各种模型
• 晶体、分子、纳 米团簇、表面、 界面、吸附、掺 杂、聚合物、无 定型材料等等
多种计算方法
• • • • 量子力学 分子动力学 蒙特卡洛模拟 半经验量化
结果分析便捷
• 直接获得多种理 化性质 • 可视化结果分析
MedeA® LAMMPS——分子动力学轨迹
纳米水团簇（水滴）与纤维 素的相互作用 纳米水团簇（水滴）与聚丙 烯的相互作用
MedeA® LAMMPS相关性质预测模块
MedeA® LAMMPS-Thermal Conductivity
计算纯物质体相的热导率 考察界面效应、杂质、同位素纯度和纳米结构对体系热导率的影响
TiO2-锐钛矿晶胞差分电荷密度
3D/2D电荷密度差分图像
28
MedeA® VASP+MedeA® Transition State Search
在VASP支撑下确定过渡态的结构和能量
MedeA-TSS能够搜索到反应或扩散过程的过渡态，计算反 应或扩散能垒，能够给出整个反应路径动画轨迹及反应 能量曲线图。 提供了权威的过渡态搜索模块的默认设置，采用先粗后 精的方法使过渡态计算更快；对表面搜索过渡态的时间 加快了4-5倍 支持CI-NEB和dimer方法，提供过渡态搜索的有效流程； 使用梯度最小化进行最后结构优化 当与MedeA® Phonon模块结合时，可以获得反应速率和跳 跃速率与温度之间的函数关系。
材料基因组计划——MGI
中国现状：
2011年，中国科学家就召开了香山会议，探讨中国版“材料基因组”计 划，随后中国工程院又做了相关调研，并形成了咨询报告。 2012年底，“材料科学系统工程发展战略研究—中国版材料基因组计划” 重大项目启动会在中国工程院召开。 2013年底， “中国先进功能材料基因组技术高峰论坛”在中国科学技术 大学召开。 2014年，“材料基因组论坛”先后在上海大学和西北工业大学召开春季 和秋季两场研讨会。 2015年，“2015新材料国际发展趋势高层论坛暨国际工程科技发展战略 高端论坛”在上海召开。
NCD
金属晶体材料数据库 包括合金、金属间化合物、矿物等
MedeA——数据库
MedeA——Pauling数据库
Pauling Data File
MedeA——四大计算模块
量子力学——VASP 分子动力学——LAMMPS 蒙特卡洛——GIBBS 半经验量化——MOPAC
MedeA® VASP——量子力学
MedeA® VASP+MedeA® Phonon
MedeA Phonon模块用于热动力 学性质的预测。 基于MedeA-VASP模块使用。 声子色散谱 声子态密度 零点能 与温度相关的振动热容
与温度相关的振动焓、熵、自 由能 在布里渊区中心点对振动模式 进行对称性分析 预测IR和Raman光谱。
MedeA——数据库
包含数据库：
ICSD
国际最权威的无机晶体数据库 约有近130,000条数据
每条数据包含的信息
Structures Lattice parameters Literature Data
Experimental setup Phase information
Pearson’s（免费提供）
MedeA的架构
工作站
用 户 图 形 界 面
通过浏览器 管理任务
服务器
创建模型 可视化结果分析
计算模拟 性质预测
MedeA——通过网页管理任务
MedeA ——创建各种模型
界面 晶体 TiO2 表面 Graphene-SiC 分子： 聚合物： Rutile Rutile(110) Caffeine novolac (4x2) 无定型 材料： novolac 孔结构吸 附分子： 3400个 ZSM-5分 原子 子筛

MedeA® LAMMPS-Diffusion
计算指定原子的均方位移（MSD）
考察体系中指定成分的扩散动力学性质

MedeA® LAMMPS-Viscosity
计算纯液体和液体混合物在不同温度和压力下的粘度
MedeA® LAMMPS-Cohesive Energy Density
计算气体凝聚成液体时的内聚能密度
MedeA® ——全功能材料设计与性质预测平台
目录
源资科技公司简介
计算材料学的研究背景
MedeA软件功能介绍
MedeA——材料设计及性质预测平台
创建模型
分子、晶体、表面、缺陷、界面、聚合物、无定型材料、纳米团簇、纳米管、孔 材料吸附分子、热固性材料结构等
多种数据库 计算引擎
ab initio QM – VASP Molecular dynamics – LAMMPS Monte Carlo – GIBBS Semi-empirical – MOPAC
Cu-Ag全局最优构象
MedeA® LAMMPS——分子动力学
Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator
广泛应用于气态、液态和固态材料力学、热力学、输运、 化学等性质预测。
基于力场的分子动力学模拟计算软件。 能够在各种系综下，模拟上百万的原子和分子体系（气 态、液态、固态）。 可实现大规模高效并行运算。
MedeA ®
全功能材料设计及性质预测平台
源资科技
目录
源资科技公司简介
计算材料学的研究背景
MedeA软件功能介绍
源资科技概况
源资信息科技（上海）有限公司成立于2008年5月， 目前公司主要经营和研发生命 科学与材料科学类学术专业软件、信息化管理系统和质量管理系统，同时提供从药物 发现到药物开发的完整解决方案。
MedeA® LAMMPS-EAM
嵌入原子法（Embedded Atom Method, EAM）力场模拟是一种 描述金属体系结构、力学性质、 热性质的有效方法。 支持计算多种金属体系的性质： 结构、缺陷的结构和能量、力学 性质及动力学性质（熔点等）。
半导体的力场
无机化合物的力场：沸石、氧化物等
无机晶体数据库，由美国材料信息学会发表 约有近180,000条数据
Crystallography Open Database(COD)
晶体开放数据库，250,000条分子晶体数据
Powder pattern
Coordination plots
Pauling
材料相图数据库 二元相图已经完成，多元相图仍在开发
MedeA® UNCLE (Universal Cluster Expansion)
UNCLE ——通用集团展开
在VASP的支撑下采用通用集团展 开式预测介观和微观尺度的材料稳 定性、空穴浓度、混合度、随机混 合能； 采用遗传算法，从问题集开始搜 索，进行选择、交叉等方法预测最 优子集，从而找到全局最优结构； 结合Monte Carlo算法，确保从小 尺度扩展到大尺度的计算时不损失 精度；
材料基因组计划——MGI
“人类基因组”
美国：2011年启动投资超过5亿美元的“先进制 造业伙伴关系”（AMP）计划。“材料基因组 计划”作为AMP的一个重要组成部分，投资超 过一亿元。
核苷酸-基因-细胞 “材料基因组”
原子-分子-化合物
告别传统的“试错法” 研究方式。 利用计算模拟引导并 设计实验，加快先进 材料的生产周期。
MedeA® VASP——用户体验
VASP
Linux系统下安装编译，
MedeA® VASP
入门门槛高
不能建模 编辑修改输入文件， 通过FTP上传、下载。
MedeA®
Windows/Linux系统下利用安 装光盘，安装编译方便 能够创建各种模型， 强大的数据库支持 VASP-GUI轻松设置计算参数 自动生成输入文件 结果数据自动返回到本地， 可直接查看并处理。 MedeA®-VASP与其他模块无 缝结合计算相关性质。 24
公司规模
人数 40
90%以上硕士 50%以上资深销售
⒈
⒋
客户资源
高校、研究所 政府、医院 制药、化学化工企业 CRO
公司分布
上海总公司
北京分公司 广州分公司 香港运筹中心
⒉
⒊
公司产品
生命科学领域 材料科学领域 实验室信息管理 信息资讯与质量管理
纳百家精华，助天下英才
目录
源资科技公司简介
计算材料学的研究背景

MedeA® LAMMPS-Surface Tension
MedeA® LAMMPS——力场
有机分子、聚合物等
•OPLS-AA •PCFF •PCFF+ •COMPASS •CFF91 & CFF93 •CVFF •AUA-4 （仅用于Gibbs） •Stillinger-Weber •Tersoff •CVFF-AUG •Inorganic •BKS
MedeA® VASP+MedeA® Electronics
MedeA® VASP—
精确的电子能带结构 Si有效质量数据（实验和MedeA ®）对比
MedeA® Electronics—
基础电子性质 费米面结构； 电子和空穴的有效质量； 电子输运性质（包括电 导、热导中的电子贡献、 霍尔系数、温差电势率 等）
性质预测
Transition State Search – 过渡态搜索 Mechanical Thermal – 力学热力学性质 Phonon – 声子性质 Transport Properties – 输运性质
管理计算任务、传递输入输出数据 结果分析
几何性质、电子态密度、能带结构、电子和自旋密度、光学性质、力学性质、磁 学性质、费米面、声子色散谱及声子态密度、过渡态、势能面、动力学轨迹……
几何性质 结构参数（键长、键角、晶格参数、 原子位置），稳定构型等 光学性质 介电函数，光导，吸收光谱， 反射率，折射率等 磁学性质 共线和非共线性磁性， 自旋轨道耦合 电子性质 电子态密度，能带结构，电荷密度 分布，电子局域化函数（ELF）等 表面性质 表面重构、缺陷等结构，表面能量， 表面吸附能等 从头分子动力学模拟 计算材料的激发态（GW准粒子修 正）
MedeA® VASP+MedeA® Mechanical Thermal
MedeA-MT模块专门用于计算各种体系 的力学和热力学性质。它既能够基于量 子力学VASP计算模块，也能基于分子 动力学LAMMPS计算模块进行性质预测。
确定弹性常数 通过弹性常数矩阵本征值分析晶体力学稳定 性 使用多种平均法计算体模量、剪切模量和杨 氏模量 计算声速和Debye温度 在Debye模型下，计算0-3000 K温度范围内的 热容、振动焓、熵、自由能、零点能、热膨胀 系数等热力学性质。
MedeA软件功能介绍
材料科学应用领域
新能源开发 环境污染 催化、石油化工
汽车、航空航天
电子工业 钢铁合金工业 玻璃陶瓷 。。。。。。。
现代材料科学的研究方法
计算材料学
计算材料学
加深对材料 的认识 对实验研究 的价值
• 探究材料结构 • 探究材料性质 • 探究反应机理 • 引导实验 • 理性设计实验 • 节省时间，降低成本