材料模拟在计算机中使用的软件

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2024年4月3日发(作者：)

材料模拟在计算机中使用的软件

首先，材料模拟是在传统材料设计上发展出来的技术。传统的材料设计是根据材料的性质

和成分，通过理论计算推出目标材料的结构，然后通过实验合成。这样的研究是最基本的，也

是脚踏实地的工作，但世界中未知的结构和功能太多了，每次都通过实际的实验会浪费很多经

费和时间，大大增加了研究周期。因此，在计算机发展起来的今天，具有智慧的先辈们根据分

子理论设计出一系列分子模拟软件，把你所设计的结构输入这些软件，软件就会返回结构的能

量、性质。

模拟的原理和作用

目前材料模拟中所使用的软件非常多，但总体上工作过程有很大的共性，也就是说，它们

都是从分子动力学原理、量子力学原理等等基础科学理论出发，利用计算机计算材料结构的性

质。

其工作过程大致如下：

(一)根据所输入计算机的结构计算结构中能量

能量大致分为如下几个部分：

(二)根据量子力学原理、分子动力学原理等等来分别计算电子波函数、核的

动能等性质。

(三)由计算出来的波函数、能量就可以用来反映材料的性质

如下图所示，能量和波函数可以分别用于不同方向的研究：

软件简介

用于材料模拟的软件大致有：MaterialStudio、VASP、Gauian、NAMD、LAMMPS、

Nano-caleDeviceSimulation、MaterialE

VirtualNanoLab……….

某plorer、Atomiti某Toolkit、

这些软件的大致功能如下：alStudio

专门为材料科学模拟所设计，能方便的建立3D分子模型，深入分析有机、无机晶体、无

定形材料以及聚合物，可以在催化剂、聚合物、固体化学、结晶学、晶粉衍射以及材料特性等

材料科学研究领域进行性质预测、聚合物建模和某射线衍射模拟，操作灵活方便，并且最大限

度地运用网络资源。

这个软件包含了很多的工具箱，能够实现很多功能，其所具有的工具箱（模块）大致如下：

上述每个方框是一个模块，用于一个方向的分析；方框中的每一个项目是一种组件，代表

了一种计算模拟方法，实际中根据模拟的目的和需要选择模块和组件。其中，

MaterialViualizer是该软件的核心模块，提供了软件基本环境和其他模块的支持。

使用赝势和projector-augmented波以及平面波基组，进行的从头量子力学动力学模拟软

件。VAMP/VASP中的方法基于有限温度下的局域密度近似（用自由能作为变量）以及对每一

MD步骤用有效矩阵对角方案和有效Pulay混合求解瞬时电子基态。

Gauian是做半经验计算和从头计算使用最广泛的量子化学软件，可以研究：分子能量和结

构，过渡态的能量和结构化学键以及反应能量，分子轨道，偶极矩和多极矩，原子电荷和电势，

振动频率，红外和拉曼光谱，NMR，极化率和超极化率，热力学性质，反应路径。计算可以模

拟在气相和溶液中的体系,模拟基态和激发态。Gauian03还可以对周期边界体系进行计算。

Gauian是研究诸如取代效应,反应机理,势能面和激发态能量的有力工具。

用于在大规模并行计算机上快速模拟大分子体系的并行分子动力学代码。NAMD用经验力

场，如Amber，CHARMM和Dreiding，通过数值求解运动方程计算原子轨迹。用于预测生

物分子的动力学行为和重要性质，如弥散因子，内聚能，等等。

是一款快速的、使用并行引擎的分子动力学模拟器。LAMMPS可以支持包括气态，液态或

者固态相形态下、各种系综下、百万级的原子分子体系，并提供支持多种势函数。

-caleDeviceSimulation

纳米器件模拟程序包。包含图形集成环境CHASE-3PT，基于第一性原理赝势方法的能带计

算程序PHASE，赝势程序CIAO，基于第一性原理赝势方法的介电性质分析程序UVSOR，完

全势全电子能带程序ABCAP，紧束缚模型程序F某ZT某，疏运性质分析程序ASCOT，以及

混合模拟程序CAMUS-FSIS，等。

alE某plorer

FUJITSU公司的一款拥有强大的分子动力学计算功能的软件包，是结合应用领域来研究材

料工程的有力工具。MaterialE某plorer可以用来研究有机物、高聚物、生物大分子、金属、

陶瓷材料、半导体等晶体、非晶体、溶液，流体，液体和气体相变、膨胀、压缩系数、抗张强

度、缺陷等。MaterialE某plorer软件中包含2Body，3Body，EAM，AMBER等63个力场

可供用户选择。MaterialE某plorer软件拥有完美的图形界面，方便使用者操作。

i某Toolkit

一个能模拟纳米结构体系和纳米器件的电学性质和量子输运性质的第一性原理电子结构计

算程序。对于所模拟的纳米器件的电极，它可以是纳米管或金属。对于所模拟的纳米结构体系，

它可以是两种不同材料形成的界面区，或界于两个金属表面之间的分子。ATK是由Atomiti某

公司在McDCal、SIESTA和TranSIESTA等电子结构计算程序包的基础上根据现代软件工程原

理开发出来的第一个商用的模拟电子输运性质的大型计算软件，它的前身是TranSIESTA-C。目

前版本(2.0.4)的ATK采用C和C++高级语言来编写核心的库代码，即将在2006年12月发布

的

ATK2.1版本并在此基础上提供了Python脚本语言编写的各种函数接口，用户可以利用所

提供的函数接口采用Python脚本语言来编写和实现特定的计算功能和数据处理。

lNanoLab

是ATK对应的图形界面软件，它具有友好的图形界面操作环境，以轻松进行纳米器件在原

子尺度模拟的建模、计算和数据分析等可视化操作。其中VNL的计算引擎是内嵌的ATK。VNL

中的操作流程与真实实验中的情况类似，它为用户提供了多种工具并通过原子尺度模拟来轻松

建立“虚拟的实验平台”：构造纳米器件的原子几何结构、模拟器件的电子结构和电学性质。

目前发行的稳定版本是VNL1.2，它包括了原子操作模块(AtomicManipulator)、纳米结构透视

模块(Nanocope)、晶体构造模块(CrytalGrower)、纳米管构造模块(NanotubeGrower)和能谱

计算模块(EnergySpectrometer)。

本文标签： 模拟计算结构性质