Materials Studio软件在分子力学中的基础应用

王宏强

摘  要：该文对分子动力学模拟软件Materials Studio（MS）做了简要的介绍，阐述了MS在分子力学研究领域的基础应用，并诠释了对相关性质预算过程中的理论依据。以MS对非晶态高聚物玻璃态转变温度预测以及对分子扩散能力的计算依据来看，其已具备较完整的理论机构。未来MS在分子力学、材料科学等研究方面有其他软件不可取代的作用;同样MS也可用来构建化学分子结构模型，在课堂教学中使用。

关键词：Materials Studio  分子动力学  材料科学  玻璃态温度  分子扩散

中图分类号：TM212   文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）11（a）-0017-02

任何物质所体现的宏观性质均是由其内部微观结构所决定的，因此对于宏观对象的深入研究必然会涉及到微观分子甚至原子层面。分子模拟是指计算机进行数值分析的方法，主要包括Monte Cario（蒙特卡洛）法、量子力学法、分子力学以及分子动力学方法。目前，国内外在分子模拟软件的开发及应用方面步伐极快，软件的升级与模块功能的强化更是日新月异[1]。Materials Studio是一款国内外应用较广的分子模拟软件，其功能强大，可以用来创建分子结构模型，通过对已建模型结构的分析可以准确预测材料的相关性质。该文主要介绍了Materials Studio软件在分子动力学模拟过程中的一些用途。

1  Materials Studio（MS）软件介绍

Materials Studio（MS）是专门针对材料科学领域分子模拟的一款软件，可在Windows、Linux等多种平台上安装运行，研究者可以利用其构建各类分子的三维结构模型，对相关高分子材料、晶体等的性质及相互作用过程进行深入的研究。在分子模拟领域，MS已经成为一种先进而强有力的模拟运算工具，在分子结构的创建与优化、性质预测及量子力学计算和动力学模拟方面，涵盖了晶体与衍射、固体及表面、聚合物、化学反应等材料与化学的众多领域[2]。

Materials Studio是一款高度模块化的集成产品，主要模块有Amorphous Cell、Forcite、DMol3、Morphology等，其中Amorphous Cell模块适用于无定型复合材料性质的探究，Forcite模块适用于材料力学特性的研究，DMol3模块益于对分子几何结构做出优化预算，Morphology模块适用于对晶体相关特性做出预算分析。这些模块运用的模拟计算方法不尽一致，功能也不尽相同，适用于不同的研究体系。研究人员可以通过选择与研究目标相适用的模拟计算方法完成计算分析。

2  玻璃态转变温度的预测

玻璃态温度是指非晶态物质玻璃态与橡胶态之间相互转换时所对应的温度。处于玻璃态的物质其自身活性极低，内部分子的扩散、流行性也急剧降低，在现实生活中，我们可以根据这一特征选择食品、药剂等物质的储存条件与环境，延长其有效期[3]。相关研究表明，当非晶高聚物体系温度高于玻璃态温度时，往往会产生软化与熔融，进而有一定的粘结性，因此，对玻璃态温度的预测有助于物质间粘结机理的研究。

Materials Studio在计算非晶高聚物玻璃态转变温度（Tg）时，有4种较常用的方法[4]：（1）根据比体积变化计算Tg，当温度达到玻璃态转变的温度附近时，聚合物某些物理特性会产生明显差异，其中就包括比体积发生的突变;（2）根据密度变化计算Tg，其原理与根据比体积的算法基本一致;（3）根据回转半径（Rg）变化计算Tg，高聚物体系温度在到达Tg之前Rg无明显变化，当体系温度到Tg以上后，会引起分子间距变大，进而导致回转半径增大，因此，可以根据回转半径的额突变来预测Tg值;（4）根据能量变化计算Tg，该方法是通过分析分子间各势能与温度关系曲线的间断或曲线斜率的突变来预测Tg。

3  分子扩散性计算依据

Materials Studio可以对体系内不同分子的扩散系数进行分析计算，进而对物质的扩散能力做出表征。Materials Studio对分子进行动力学模拟计算的过程中，最常见的对扩散系数的研究是根据计算均方位移（Mean square displacement）Einstein方程（式2）来实现。该方法是通过计算模拟过程中体系分子的空间位置与初始坐标的偏离程度来实现均方位移计算，根据均方位移（MSD）曲线的斜率，取其1/6值即为该体系所计算分子的扩散系数。

S（t）=<△r（t）2>[ri（t）-r0（t））2]                                          （2）

其中，<>代表系综均值;ri（t）与ri（0）分别为原子i在t时刻和初始时的位置[4]。

4  结语

Materials Studio是美国ACCELRYS公司针对材料科学的研究工作开发的一款仿真软件，对于解决材料、生物、制药及化学等领域的问题具有重要意义。MS除了能够对文中所提材料的特性完成相关的性质预测外，亦可对分子或原子间的相互作用关系做出较准确的预测，广泛应用于生物化学方面的研究;此外，MS中对分子、原子精确的建模功能能够使抽象的物质呈可视化，同样适用于科学研究以及课堂教学;再者，今后MS可能不仅会广泛应用于金属或晶体等方面材料特性的分析计算，在非金属及非晶体物质的研究分析领域同样具有广阔的发展空间。MS能够让每一位科研工作者接触到该领域与世界最先进研发部门相一致的技术与能力，是材料工作者所必备的一款学习软件。

参考文献

[1] 刘萍.利用Materials Studio對锆钛酸铅进行结构模拟及性能研究[D].西安科技大学，2013.

[2] 黄勤.Materials Studio模拟分析葡甘聚糖分子模型力学性能[D].福建农林大学，2014.

[3] 周国辉，刘成梅，万婕，等.分子动力学模拟水分对小分子糖玻璃态转变温度及扩散性质的影响[J].现代食品科技，2014，30（9）：154-160，165.

[4] 邱福生，任力，王家鸣，等.分子动力学模拟预测壳聚糖的玻璃化转变温度[J].化工学报，2012，63（7）：2285-2289.