BIOVIA Materials Studio
材料科学建模与仿真平台 — 从量子到介观尺度的多尺度材料仿真环境
BIOVIA Materials Studio 是一套完整的建模与仿真环境，使材料科学和化学领域的研究人员能够通过预测材料原子与分子结构与其性质和行为之间的关系，来开发新材料。它是全球最先进且易于使用的材料建模平台，涵盖量子、原子尺度、介观尺度、统计和分析仿真方法。
通过 Materials Studio，各产业的研究人员可以设计更优秀的各类材料，包括药品、催化剂、高分子与复合材料、金属与合金、电池与燃料电池、纳米材料、半导体等。该平台支持「先仿真后实验」(in silico first) 的方法 — 通过虚拟筛选候选材料变体，降低与物理测试和实验相关的成本和时间。
1.0 版于 2000 年 6 月发布，2025 年庆祝 25 周年
全球前 25 大制药、生技、化学公司均为客户
同侪审查出版物引用 Materials Studio（截至 2025 年）
模块概览
量子力学工具
基于密度泛函理论（DFT）的求解器和半经验方法，从电子结构预测性质。
| 模块 | 说明 |
|---|---|
| CASTEP | 平面波 DFT 程序，仿真固体、接口和表面 — 陶瓷、半导体、金属的能带结构、态密度、光学性质 |
| DMol3 | DFT 程序，仿真有机/无机分子、分子晶体、共价/金属固体和无限表面的电子结构和性质 |
| ONETEP | 线性标度 DFT 程序，对多达数千个原子的系统进行精确的第一原理计算 |
| DFTB+ | 半经验模块，基于 DFT 紧束缚方法，在较大系统上实现量子力学精度 |
| VAMP | 半经验分子轨道方法，快速预测分子系统的物理和化学性质 |
| QMERA | QM/MM 方法，结合量子计算精度和力场计算速度 |
| FlexTS | 稳健的过渡态搜索工具，识别反应物与产物之间的最小能量路径 |
| NMR CASTEP | 从第一原理预测 NMR 化学位移和电场梯度张量 |
| KINETIX | 仿真表面上化学和物理吸附、脱附和扩散过程 — 催化剂活性与表面覆盖率 |
| CANTERA | 化学速率方程序求解器，反应速率可由 DMol3 计算 |
经典仿真工具
分子动力学、晶格动力学、蒙地卡罗方法和力场。
| 模块 | 说明 |
|---|---|
| Forcite Plus | 分子力学与动力学，预测机械性质、扩散系数、密度变化。支持 GPU 加速及 COMPASS、CVFF、PCFF 等力场 |
| GULP | 材料优化、性质计算和动力学；含金属、氧化物、半导体力场及力场拟合工具 |
| Amorphous Cell | 建构复杂非晶系统的代表性模型并预测关键性质 |
| Sorption | 预测吸附和分离的基本性质 — 吸附等温线和亨利常数 |
| Adsorption Locator | 在周期性和非周期性基材上找出分子的低能量吸附位点 |
| Blends | 预测混合物的相图、交互作用参数和相平衡 |
| Conformers | 构象搜索算法和分析工具，表征分子的构象和柔韧性 |
介观尺度与统计工具
| 模块 | 说明 |
|---|---|
| Mesocite | 粗粒化仿真，研究纳米到微米尺度材料的结构和动态性质 |
| MesoDyn | 经典密度泛函方法，研究复杂高分子系统的长距离和长时间尺度行为 |
| PhaseField | 预测硬质材料微观结构 — 凝固和晶粒成长仿真 |
| QSAR / QSAR Plus | 定量结构-活性关系，含广泛描述符和 GFA 遗传算法；加入 DMol3 描述符和神经网络 |
| Synthia | 使用 QSPR 计算均聚物和共聚物性质，快速筛选候选高分子 |
分析与结晶工具
| 模块 | 说明 |
|---|---|
| Morphology | 从原子结构预测晶体形态 — 晶体形状、表面稳定性、添加剂和溶剂效应 |
| Polymorph Predictor | 在所有合理空间群中搜索低能量晶格能量最小值，预测潜在多晶型 |
| Reflex / Reflex QPA | 仿真 X 射线、中子和电子粉末绕射图样；从粉末绕射数据确定晶体结构与定量相分析 |
| X-Cell | 高效索引算法，针对粉末绕射数据的消光特定二分法进程 |
| Motif | 分析分子晶体中的连接性（氢键拓扑），与 CCDC Mercury 介接 |
Materials Studio 多尺度材料仿真 — 从量子力学到介观尺度的分子可视化与性质预测
主要力场
| 力场 | 类型 | 涵盖范围 |
|---|---|---|
| COMPASS III | Class II 从头算 | 涵盖最广 — 有机/无机分子、高分子、金属、金属氧化物、气体 |
| CVFF | 一致价力场 | 肽、蛋白质、胺基酸、碳氢化合物 |
| PCFF | 高分子一致力场 | 针对高分子和有机材料优化 |
| Dreiding | 通用型 | 有机、生物和主族无机分子 |
| Universal | 通用型 | 基于规则的力场，涵盖整个周期表 |
| MACE | 机器学习力场 | 新功能（2025） — 以经典 MD 成本达到量子级精度；GPU 加速；2026 年添加微调协定 |
| ReaxFF | 反应力场 | 基于键级的反应力场，支持连续键形成/断裂 |
技术规格
| 用户端平台 | Microsoft Windows 10/11（64 比特） |
| 服务器平台 | Red Hat Enterprise Linux (RHEL) |
| 云端选项 | Dassault Systemes 3DEXPERIENCE 平台 SaaS |
| GPU 加速 | NVIDIA GPU（RTX A6000、RTX 4080 认证）；Forcite Plus、CASTEP 等模块 |
| HPC 支持 | PBS Professional 和 SLURM 工作调度器 |
| 脚本 / API | MaterialsScript API（Perl + Python，Python 于 2026 年添加） |
| 工作流程自动化 | BIOVIA Pipeline Pilot 集成（Materials Studio Collection） |
应用领域
制药
晶体结构预测、多晶型筛选、配方优化、药物稳定性、共晶设计
化学与催化
催化剂设计、反应机制、表面化学、选择性优化、中毒分析
高分子与复合材料
高分子掺合物、机械性质、老化、玻璃转化温度、渗透性、添加剂兼容性
能源与电池
锂离子电池材料、固态电解质、燃料电池膜、储氢材料、太阳能电池材料
电子与半导体
能带结构、电子性质、缺陷计算、掺杂研究、介电材料
金属与合金
相图、晶粒结构预测、机械性质、腐蚀、凝固
纳米材料
碳纳米管、石墨烯、金属有机框架 (MOFs)、沸石、纳米粒子性质
航太与汽车
高性能合金、复合材料、热障涂层
Materials Studio 电池材料仿真 — 多窗口分子结构可视化与性质分析工作环境
Materials Studio 量子力学工具套件 — 包含 CASTEP、DMol3、VAMP 等密度泛函理论求解器
内核竞争优势
最广泛的多尺度涵盖
唯一在单一集成环境中横跨量子、原子尺度、介观到微观结构的平台
全面的结晶工具
Polymorph Predictor、Morphology、Reflex、X-Cell — 在药物和材料结晶学领域无可匹敌
COMPASS III 力场
经最广泛验证的 Class II 力场，涵盖最广的材料范围
MACE 机器学习势能
2025 年添加 — 以经典 MD 速度达到量子级精度；2026 年添加微调协定
企业集成
Pipeline Pilot 工作流程自动化 + 3DEXPERIENCE 平台支持全球团队协作
近期更新
| 日期 | 更新内容 |
|---|---|
| 2025 年 11 月 | Materials Studio 2026 — MaterialsScript 添加 Python 脚本支持、MACE 微调协定、自适应压缩交换 (ACE) 加速 CASTEP 混合泛函、GULP 6.4、ONETEP 7.3.95、Forcite GPU 优化 |
| 2024 年 11 月 | Materials Studio 2025 — MACE 机器学习势能（MACE-OFF23 有机分子、MACE-MP0b 无机材料）、MS Martini 3 粗粒化力场、FlexTS 过渡态搜索（生长字符串法） |
| 2023 年底 | Materials Studio 2024 — DMol3 有效屏蔽介质 (ESM)、DFTB+ GPU 加速、Forcite 介电分析、ReaxFF SEI2021 |
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