BIOVIA Materials Studio 2022 是 BIOVIA 公司最新发布的化学和材料科学预测工具。Materials Studio 能够帮助研究人员理解材料的分子或晶体结构与其多尺度性质之间的关系。

使用 BIOVIA Materials Studio 2022 的科学家可以使用广泛的世界级求解器和参数集，从原子到微观尺度进行操作。此版本扩展并增强了最近引入的两个模块：FlexTS（用于搜索过渡态）和 PhaseField（用于预测硬材料微观结构）。此外，我们还可以从 CPU 和 GPU 上经典模拟的进一步性能改进中受益，并使用新的 Martini 3 粗粒力场。

(资料图)

使用 BIOIVA Materials Studio 2022，我们可以比以往更准确、更高效地模拟更多材料属性。

新模块！

BIOVIA MATERIALS STUDIO FlexTS

反应动力学工作流程

基于剑桥大学开发的代码[1-5]，旨在为化学反应路径计算提供稳健的工具，包括最小能量路径、过渡态和多步反应的识别。BIOVIA Materials Studio FlexTS 采用方法层次结构来识别最小能量路径，随后计算过渡态，并定位每个过渡态对应的极小值。FlexTS 最小能量路径方法可作为 BIOVIA Materials Studio DMol3或 BIOVIA Materials Studio DFTB+ 的任务使用。

在 Materials Studio 2022 中，已经进行了以下增强：

1)   改进了性能！DMol3最小能量路径计算现在在进程内运行，通过最小化启动和完成过程显著提高了计算性能。

2)   增强了可用性。在 DMol3最小能量路径和 DFTB+ 最小能量路径计算中，我们现在可以：

方便地检查中间NEB轨迹和收敛结果

从现有轨迹开始计算。

通过使用 FlexTS 获得的过渡态知识，我们可以使用 Dmol3 中的反应动力学任务提供速率系数，这些系数反过来又是 BIOVIA Materials Studio Cantera 和 BIOVIA Materials Studio KINETIX 模块的输入。借助 BIOVIA Materials Studio 2022，化学家和化学工程师将拥有一套强大、稳健和灵活的方法，可以从量子力学到化学反应动力学进行桥接。

高效、数值稳定且易于使用的过渡态搜索

多种反应路径、TS 精细化和低垒反应选项

在单一 Materials Studio 环境中使用多种工具（DMol3、DFTB+、FlexTS、Reaction Preview、Reaction Kinetics、Kinetix 和 Cantera）研究反应。

我们可以通过在 Materials Studio Collection 中的专用 Pipeline Pilot 协议中处理 FlexTS 输出来绘制反应路径。

BIOVIA MATERIALS STUDIO PHASEFIELD

金属合金设计工作流程

基于 OpenPhase_Core 求解器[6-8]的工具，于Materials Studio 2021中引入，用于模拟硬材料微观结构。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。

这些模拟的一个重要应用是金属增材制造的优化。BIOVIA Materials Studio PhaseField 可用于理解粉末床熔融增材制造过程中微观结构对打印条件的依赖性。金属合金粉末的单个层被熔化和固化，导致晶相之间的转变，这些转变对冷却速率和局部温度都很敏感。这种依赖性通过时间-温度-转换（TTT）图来捕捉。在 Materials Studio 2022 中，我们可以使用专用的 Pipeline Pilot Materials Studio Collection 协议创建 TTT 图。TTT 输出提供了宏观模拟打印过程所需的关键参数，可以使用 SIMULUA Abaqus 模型执行。

借助 BIOVIA Materials Studio 2022，材料科学家和冶金学家可以从原子尺度上对金属合金混合物进行第一性原理预测，桥接到金属铸造和添加制造的宏观世界。

第一个是来自 BIOVIA Materials Studio 的场密度，第二个显示了 SIMULIA Abaqus 软件内的体素表示

MATERIALS STUDIO模块增强

经典模拟

性能提升！更多材料！

在 Materials Studio 2021 中，对 NVIDIA GPU 处理器的支持为 Forcite 中功能强大的经典分子动力学方法和 Mesocite 中的粗粒化模拟带来了巨大的性能优势。Materials Studio 2022 为我们提供了进一步的 GPU 和 CPU 性能改进，这些优势也适用于使用 Forcite 和 Mesocite 的 Pipeline Pilot Materials Studio Collection 协议。

粗粒化模拟越来越受欢迎，因为它可以扩展经典分子动力学可访问的长度和时间尺度。使用 Materials Studio 2022，我们可以使用最近开发的 Martini 3 力场，以更高的准确性运行各种材料的粗粒化模拟。系统的准备工作通过新的用户脚本更加方便，这些脚本应用 Martini 3 珠型，并且我们可以在 Materials Studio Help的新教程中了解有关信息。

新参数！新的 MS Martini 3 提供了对 Martini 3 力场的访问

改进了可用性！准备工具珠状结构和专门定制MS Martini 3力场与他们相关。

新教程！一个新教程演示了如何自定义 MS Martini 3 力场，并使用它为分子生成珠拓扑文件。

经典模拟

反应力场

常规的经典分子动力学不会改变分子的键合拓扑，但是有些系统需要纳入化学变化才能准确地表示材料组成如何随时间演变。一种实现这一目标的方法是从反应物分子中识别可能的反应位点，并根据特定的随机规则定期更新键合网络。在 Materials Studio 2022 中，我们可以使用perl 脚本（部署在名为 ReactionFinder 的 perl 模块中）来构建反应分子动力学能力。使用 ReactionFinder 函数，可以识别反应位点并作为自定义脚本的一部分更新键合网络。我们可以通过遵循两个新教程来探索这些新功能。

新教程！使用 ReactionFinder 执行虚拟原子反应：帮助我们学习如何使用 ReactionFinder 执行虚拟反应。

新教程！使用 ReactionFinder 模拟固态电解质界面的形成：演示如何将 ReactionFinder 作为更大的 Monte Carlo-Molecular Dynamics 混合算法的一部分使用。模拟阳极-电解质界面处复杂且长时间尺度的反应行为，形成 SEI。

量子力学模拟

基于量子力学方法的求解器的更新包括以下增强功能，

新参数！如果我们在 CASTEP 中提供自定义参数，现在可以使用 MBD* 色散校正方案运行计算。

新属性！我们现在可以使用 CASTEP 中的 Berry phase 方法计算压电系数。

增强了可用性！DMol3 脚本现在会在脚本哈希中返回 .cosmo 文件，用于使用 COSMO 溶剂模型的计算。

提高了准确性！DFTB+ 的版本已升级到 版，提供更准确的力。

新设置！自旋松弛现在可用于自旋极化 DFTB+ 计算，以便我们搜索分子和固体的真正磁性基态。

新参数！Grimme D4 色散校正现在可用于 DFTB+。

平台支持变化

新增平台支持

已添加对 Red Hat Enterprise Linux 和 的服务器支持

已添加对以下排队系统的支持：

« Altair Portable Batch System (PBS) Pro 和

« Slurm Workload Manager 和

已添加对 Mozilla Firefox ESR 78 或更高版本的浏览器支持

停止平台支持

˟      已停止对 CentOS 的服务器支持

˟      已停止对以下排队系统的支持：

n  Slurm Workload Manager

n  Adaptive Computing TORQUE

˟      已停止对 Mozilla Firefox ESR 68 的浏览器支持

参考文献

1. Munro, L. J.; Wales, D. J. “Defect Migration in Crystalline Silicon,” Phys Rev B, 59, 3969-3980 (1999).

2. Carr, J. M.; Trygubenko, S. A.; Wales, D. J. “Finding Pathways between Distant Local Minima,” J. Chem. Phys., 122, 234903-234910 (2005).

3. Wales, D. J.; Carr, J. M “Quasi-Continuous Interpolation Scheme for Pathways between Distant Configurations,” J. Chem. Theory Comput., 8(12), 5020–5034 (2012).

4. Kumeda, Y; Munro, L. J.; Wales, D. J. “Transition States and Rearrangement Mechanisms from Hybrid Eigenvector- Following and Density Functional Theory. Application to C10H10 and Defect Migration in Crystalline Silicon,” Chem. Phys. Lett., 341, 185-194 (2001).

5. Trygubenko, S. A.; Wales, D. J. “A Doubly Nudged Elastic Band Method for Finding Transition States,” J. Chem. Phys., 120, 2082-2094 (2004).

6. Steinbach, Ingo “Phase-field models in materials science,” Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 17 (2009) 073001.

7. Steinbach, Ingo “Why Solidification? Why Phase-Field?,”JOM 65 (2013) 1096–1102.

8. OpenPhase_Core.

9. . Souza, et al., Martini 3: a general purpose force field for coarse-grained molecular dynamics, Nat. Methods, 18, 382-388 (2021).