Materials Studio軟件在分子力學中的基礎應用

王宏強

摘 ?要：該文對分子動力學模擬軟件Materials Studio（MS）做了簡要的介紹，闡述了MS在分子力學研究領域的基礎應用，并詮釋了對相關性質預算過程中的理論依據。以MS對非晶態高聚物玻璃態轉變溫度預測以及對分子擴散能力的計算依據來看，其已具備較完整的理論機構。未來MS在分子力學、材料科學等研究方面有其他軟件不可取代的作用;同樣MS也可用來構建化學分子結構模型，在課堂教學中使用。

關鍵詞：Materials Studio ?分子動力學 ?材料科學 ?玻璃態溫度 ?分子擴散

中圖分類號：TM212 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（a）-0017-02

任何物質所體現的宏觀性質均是由其內部微觀結構所決定的，因此對于宏觀對象的深入研究必然會涉及到微觀分子甚至原子層面。分子模擬是指計算機進行數值分析的方法，主要包括Monte Cario（蒙特卡洛）法、量子力學法、分子力學以及分子動力學方法。目前，國內外在分子模擬軟件的開發及應用方面步伐極快，軟件的升級與模塊功能的強化更是日新月異[1]。Materials Studio是一款國內外應用較廣的分子模擬軟件，其功能強大，可以用來創建分子結構模型，通過對已建模型結構的分析可以準確預測材料的相關性質。該文主要介紹了Materials Studio軟件在分子動力學模擬過程中的一些用途。

1 ?Materials Studio（MS）軟件介紹

Materials Studio（MS）是專門針對材料科學領域分子模擬的一款軟件，可在Windows、Linux等多種平臺上安裝運行，研究者可以利用其構建各類分子的三維結構模型，對相關高分子材料、晶體等的性質及相互作用過程進行深入的研究。在分子模擬領域，MS已經成為一種先進而強有力的模擬運算工具，在分子結構的創建與優化、性質預測及量子力學計算和動力學模擬方面，涵蓋了晶體與衍射、固體及表面、聚合物、化學反應等材料與化學的眾多領域[2]。

Materials Studio是一款高度模塊化的集成產品，主要模塊有Amorphous Cell、Forcite、DMol3、Morphology等，其中Amorphous Cell模塊適用于無定型復合材料性質的探究，Forcite模塊適用于材料力學特性的研究，DMol3模塊益于對分子幾何結構做出優化預算，Morphology模塊適用于對晶體相關特性做出預算分析。這些模塊運用的模擬計算方法不盡一致，功能也不盡相同，適用于不同的研究體系。研究人員可以通過選擇與研究目標相適用的模擬計算方法完成計算分析。

2 ?玻璃態轉變溫度的預測

玻璃態溫度是指非晶態物質玻璃態與橡膠態之間相互轉換時所對應的溫度。處于玻璃態的物質其自身活性極低，內部分子的擴散、流行性也急劇降低，在現實生活中，我們可以根據這一特征選擇食品、藥劑等物質的儲存條件與環境，延長其有效期[3]。相關研究表明，當非晶高聚物體系溫度高于玻璃態溫度時，往往會產生軟化與熔融，進而有一定的粘結性，因此，對玻璃態溫度的預測有助于物質間粘結機理的研究。

Materials Studio在計算非晶高聚物玻璃態轉變溫度（Tg）時，有4種較常用的方法[4]：（1）根據比體積變化計算Tg，當溫度達到玻璃態轉變的溫度附近時，聚合物某些物理特性會產生明顯差異，其中就包括比體積發生的突變;（2）根據密度變化計算Tg，其原理與根據比體積的算法基本一致;（3）根據回轉半徑（Rg）變化計算Tg，高聚物體系溫度在到達Tg之前Rg無明顯變化，當體系溫度到Tg以上后，會引起分子間距變大，進而導致回轉半徑增大，因此，可以根據回轉半徑的額突變來預測Tg值;（4）根據能量變化計算Tg，該方法是通過分析分子間各勢能與溫度關系曲線的間斷或曲線斜率的突變來預測Tg。

3 ?分子擴散性計算依據

Materials Studio可以對體系內不同分子的擴散系數進行分析計算，進而對物質的擴散能力做出表征。Materials Studio對分子進行動力學模擬計算的過程中，最常見的對擴散系數的研究是根據計算均方位移（Mean square displacement）Einstein方程（式2）來實現。該方法是通過計算模擬過程中體系分子的空間位置與初始坐標的偏離程度來實現均方位移計算，根據均方位移（MSD）曲線的斜率，取其1/6值即為該體系所計算分子的擴散系數。

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

其中，<>代表系綜均值;ri（t）與ri（0）分別為原子i在t時刻和初始時的位置[4]。

4 ?結語

Materials Studio是美國ACCELRYS公司針對材料科學的研究工作開發的一款仿真軟件，對于解決材料、生物、制藥及化學等領域的問題具有重要意義。MS除了能夠對文中所提材料的特性完成相關的性質預測外，亦可對分子或原子間的相互作用關系做出較準確的預測，廣泛應用于生物化學方面的研究;此外，MS中對分子、原子精確的建模功能能夠使抽象的物質呈可視化，同樣適用于科學研究以及課堂教學;再者，今后MS可能不僅會廣泛應用于金屬或晶體等方面材料特性的分析計算，在非金屬及非晶體物質的研究分析領域同樣具有廣闊的發展空間。MS能夠讓每一位科研工作者接觸到該領域與世界最先進研發部門相一致的技術與能力，是材料工作者所必備的一款學習軟件。

參考文獻

[1] 劉萍.利用Materials Studio對鋯鈦酸鉛進行結構模擬及性能研究[D].西安科技大學，2013.

[2] 黃勤.Materials Studio模擬分析葡甘聚糖分子模型力學性能[D].福建農林大學，2014.

[3] 周國輝，劉成梅，萬婕，等.分子動力學模擬水分對小分子糖玻璃態轉變溫度及擴散性質的影響[J].現代食品科技，2014，30（9）：154-160，165.

[4] 邱福生，任力，王家鳴，等.分子動力學模擬預測殼聚糖的玻璃化轉變溫度[J].化工學報，2012，63（7）：2285-2289.