BIOVIA Materials Studio
材料科學建模與模擬平台 — 從量子到介觀尺度的多尺度材料模擬環境
BIOVIA Materials Studio 是一套完整的建模與模擬環境，使材料科學和化學領域的研究人員能夠透過預測材料原子與分子結構與其性質和行為之間的關係，來開發新材料。它是全球最先進且易於使用的材料建模平台，涵蓋量子、原子尺度、介觀尺度、統計和分析模擬方法。
透過 Materials Studio，各產業的研究人員可以設計更優秀的各類材料，包括藥品、催化劑、高分子與複合材料、金屬與合金、電池與燃料電池、奈米材料、半導體等。該平台支援「先模擬後實驗」(in silico first) 的方法 — 透過虛擬篩選候選材料變體，降低與物理測試和實驗相關的成本和時間。
1.0 版於 2000 年 6 月發布，2025 年慶祝 25 週年
全球前 25 大製藥、生技、化學公司均為客戶
同儕審查出版物引用 Materials Studio（截至 2025 年）
模組概覽
量子力學工具
基於密度泛函理論（DFT）的求解器和半經驗方法，從電子結構預測性質。
| 模組 | 說明 |
|---|---|
| CASTEP | 平面波 DFT 程式，模擬固體、介面和表面 — 陶瓷、半導體、金屬的能帶結構、態密度、光學性質 |
| DMol3 | DFT 程式，模擬有機/無機分子、分子晶體、共價/金屬固體和無限表面的電子結構和性質 |
| ONETEP | 線性標度 DFT 程式，對多達數千個原子的系統進行精確的第一原理計算 |
| DFTB+ | 半經驗模組，基於 DFT 緊束縛方法，在較大系統上實現量子力學精度 |
| VAMP | 半經驗分子軌道方法，快速預測分子系統的物理和化學性質 |
| QMERA | QM/MM 方法，結合量子計算精度和力場計算速度 |
| FlexTS | 穩健的過渡態搜索工具，識別反應物與產物之間的最小能量路徑 |
| NMR CASTEP | 從第一原理預測 NMR 化學位移和電場梯度張量 |
| KINETIX | 模擬表面上化學和物理吸附、脫附和擴散過程 — 催化劑活性與表面覆蓋率 |
| CANTERA | 化學速率方程式求解器，反應速率可由 DMol3 計算 |
經典模擬工具
分子動力學、晶格動力學、蒙地卡羅方法和力場。
| 模組 | 說明 |
|---|---|
| Forcite Plus | 分子力學與動力學，預測機械性質、擴散係數、密度變化。支援 GPU 加速及 COMPASS、CVFF、PCFF 等力場 |
| GULP | 材料最佳化、性質計算和動力學；含金屬、氧化物、半導體力場及力場擬合工具 |
| Amorphous Cell | 建構複雜非晶系統的代表性模型並預測關鍵性質 |
| Sorption | 預測吸附和分離的基本性質 — 吸附等溫線和亨利常數 |
| Adsorption Locator | 在週期性和非週期性基材上找出分子的低能量吸附位點 |
| Blends | 預測混合物的相圖、交互作用參數和相平衡 |
| Conformers | 構象搜索演算法和分析工具，表徵分子的構象和柔韌性 |
介觀尺度與統計工具
| 模組 | 說明 |
|---|---|
| Mesocite | 粗粒化模擬，研究奈米到微米尺度材料的結構和動態性質 |
| MesoDyn | 經典密度泛函方法，研究複雜高分子系統的長距離和長時間尺度行為 |
| PhaseField | 預測硬質材料微觀結構 — 凝固和晶粒成長模擬 |
| QSAR / QSAR Plus | 定量結構-活性關係，含廣泛描述符和 GFA 遺傳演算法；加入 DMol3 描述符和神經網路 |
| Synthia | 使用 QSPR 計算均聚物和共聚物性質，快速篩選候選高分子 |
分析與結晶工具
| 模組 | 說明 |
|---|---|
| Morphology | 從原子結構預測晶體形態 — 晶體形狀、表面穩定性、添加劑和溶劑效應 |
| Polymorph Predictor | 在所有合理空間群中搜索低能量晶格能量最小值，預測潛在多晶型 |
| Reflex / Reflex QPA | 模擬 X 射線、中子和電子粉末繞射圖樣；從粉末繞射資料確定晶體結構與定量相分析 |
| X-Cell | 高效索引演算法，針對粉末繞射資料的消光特定二分法程序 |
| Motif | 分析分子晶體中的連接性（氫鍵拓撲），與 CCDC Mercury 介接 |
Materials Studio 多尺度材料模擬 — 從量子力學到介觀尺度的分子視覺化與性質預測
主要力場
| 力場 | 類型 | 涵蓋範圍 |
|---|---|---|
| COMPASS III | Class II 從頭算 | 涵蓋最廣 — 有機/無機分子、高分子、金屬、金屬氧化物、氣體 |
| CVFF | 一致價力場 | 肽、蛋白質、胺基酸、碳氫化合物 |
| PCFF | 高分子一致力場 | 針對高分子和有機材料最佳化 |
| Dreiding | 通用型 | 有機、生物和主族無機分子 |
| Universal | 通用型 | 基於規則的力場，涵蓋整個週期表 |
| MACE | 機器學習力場 | 新功能（2025） — 以經典 MD 成本達到量子級精度；GPU 加速；2026 年新增微調協定 |
| ReaxFF | 反應力場 | 基於鍵級的反應力場，支援連續鍵形成/斷裂 |
技術規格
| 用戶端平台 | Microsoft Windows 10/11（64 位元） |
| 伺服器平台 | Red Hat Enterprise Linux (RHEL) |
| 雲端選項 | Dassault Systemes 3DEXPERIENCE 平台 SaaS |
| GPU 加速 | NVIDIA GPU（RTX A6000、RTX 4080 認證）；Forcite Plus、CASTEP 等模組 |
| HPC 支援 | PBS Professional 和 SLURM 工作排程器 |
| 腳本 / API | MaterialsScript API（Perl + Python，Python 於 2026 年新增） |
| 工作流程自動化 | BIOVIA Pipeline Pilot 整合（Materials Studio Collection） |
應用領域
製藥
晶體結構預測、多晶型篩選、配方最佳化、藥物穩定性、共晶設計
化學與催化
催化劑設計、反應機制、表面化學、選擇性最佳化、中毒分析
高分子與複合材料
高分子摻合物、機械性質、老化、玻璃轉化溫度、滲透性、添加劑相容性
能源與電池
鋰離子電池材料、固態電解質、燃料電池膜、儲氫材料、太陽能電池材料
電子與半導體
能帶結構、電子性質、缺陷計算、摻雜研究、介電材料
金屬與合金
相圖、晶粒結構預測、機械性質、腐蝕、凝固
奈米材料
碳奈米管、石墨烯、金屬有機框架 (MOFs)、沸石、奈米粒子性質
航太與汽車
高效能合金、複合材料、熱障塗層
Materials Studio 電池材料模擬 — 多視窗分子結構視覺化與性質分析工作環境
Materials Studio 量子力學工具套件 — 包含 CASTEP、DMol3、VAMP 等密度泛函理論求解器
核心競爭優勢
最廣泛的多尺度涵蓋
唯一在單一整合環境中橫跨量子、原子尺度、介觀到微觀結構的平台
全面的結晶工具
Polymorph Predictor、Morphology、Reflex、X-Cell — 在藥物和材料結晶學領域無可匹敵
COMPASS III 力場
經最廣泛驗證的 Class II 力場，涵蓋最廣的材料範圍
MACE 機器學習勢能
2025 年新增 — 以經典 MD 速度達到量子級精度；2026 年新增微調協定
企業整合
Pipeline Pilot 工作流程自動化 + 3DEXPERIENCE 平台支援全球團隊協作
近期更新
| 日期 | 更新內容 |
|---|---|
| 2025 年 11 月 | Materials Studio 2026 — MaterialsScript 新增 Python 腳本支援、MACE 微調協定、自適應壓縮交換 (ACE) 加速 CASTEP 混合泛函、GULP 6.4、ONETEP 7.3.95、Forcite GPU 最佳化 |
| 2024 年 11 月 | Materials Studio 2025 — MACE 機器學習勢能（MACE-OFF23 有機分子、MACE-MP0b 無機材料）、MS Martini 3 粗粒化力場、FlexTS 過渡態搜索（生長字串法） |
| 2023 年底 | Materials Studio 2024 — DMol3 有效屏蔽介質 (ESM)、DFTB+ GPU 加速、Forcite 介電分析、ReaxFF SEI2021 |
相關產品推薦
了解 Materials Studio
探索如何運用多尺度材料模擬加速您的材料研發與創新
聯絡我們