写给MS新手：Materials Studio软件常见问题与解决方案

本人仅在Windows操作系统上使用过该软件，所以请注意本帖内容的适用范围。

自2012年开始接触Materials Studio软件（以下简称MS）至今，已经5年有余，本人对该软件相关的常见问题及其解决方案进行了总结，现罗列如下。

1

问：使用MS，用哪个版本的Windows操作系统比较好？

答：推荐用win 7，这是毫无疑问的。低版本的Windows操作系统如XP，MS 6.0还支持该操作系统，MS 6.1开始就不再支持该操作系统，就是说，MS 6.1在XP上安装不了。高版本的Windows操作系统，如win 10，低版本的MS可能不支持。

2

问：使用哪个版本的MS比较好？

答：MS更新比较快，截止目前（2017年04月13日），最新的版本已经更新到MS 2017 R2了。本人用过MS 5.0、5.5、6.0、6.1、7.0、8.0、2016，个人觉得随着MS版本的更新，其功能、操作界面、展示效果都会有变化，特别是当一些重磅的更新发布后，更能感受到版本更新前后的差异。举个例子，我对MS 8.0的更新印象尤为深刻，MS 8.0彻底移除了低效、蹩脚的Discover模块，习惯于使用MS 6.0的人，会惊讶地发现MS 8.0中没有Discover模块了，那些关于Discover模块的教程，在MS 8.0中无法使用了（关于Discover模块的一些问题，诸如为什么被移除、跟Forcite的区别等等，后面我会再提到）。一般说来，新版本的MS，无论是在功能涵盖的广度上，还是计算的效率上，都胜过旧版。

但对于MS版本的选择，个人建议，不一定追求最新，选择主流的版本即可（除非你的问题只有在最新版中才能解决），原因在于主流版本在功能上已经足够完善，能够满足绝大多数要求，同时使用者较多，便于问题交流。对已经相当陈旧的版本，真的不要再“抱残守缺”了，举个例子，你来小木虫问Discover模块中analysis选项的问题*，别人怎么帮你呢，难道为了你这个问题，别人也要装你这个版本的MS？最后，推荐主流的MS版本如下：MS 7.0、8.0、2016。

*注：在非常陈旧版本（具体版本号未查，估计4.0左右）的MS中，MD的结果分析是在Discover模块的analysis中进行的，后来随着MS版本的更新，analysis功能从Discover模块上移除，成为了Forcite模块的组成之一。再后来，随着MS 8.0的发布，甚至连Discover这个模块都被移除出软件了。

3

问：新手学习MS，有没有好的教程？

答：不管学习什么，找一份好的教程来参考，非常重要，好的教程学习层次由浅入深，能让人快速上手，少走很多弯路。新手学习MS，最好、且没有之一的教程，其实很好获得，不需要在网上苦苦搜索，这个教程就是所用MS自带的官方教程，即在MS主界面中→Help→Tutorials中提供的官方教程。

现在小木虫中，有大量所谓的MS教程，其实就是上述官方教程的中文翻译版而已。这些教程适用的MS版本不一，发布的年代跨度也很大，质量参差不齐，内容长度不一，让人眼花缭乱，有的教程的内容已经严重过时，教程上的内容，在学习者的软件上找不到对应的选项、按钮；有的教程翻译时跳过了一些步骤，让初学者难以适从；有的教程甚至存在内容错误等问题。这也算是我当初学习MS走过的弯路吧，看过几十种版本的教程，浪费了很多时间。MS的Help中自带的官方教程，学习它唯一的障碍就是英语吧，因为它的内容是全英文的。

对于英语确实有困难的同学，可以找一份近期发布的中文教程（一份足矣，再多就是浪费），跟着教程做完两件事情即可：

一，熟悉MS软件的界面，知道软件中各个英文选项的大概意思；

二，学会基本的软件操作，包括打开、保存、关闭软件，新建project、新建xsd、std等文件，知道如何绘制分子、构建晶胞。学会这两件事情之后，就可以放下中文教程，打开MS自带的官方教程，对自己需要使用的或者感兴趣的模块，对照官方教程一步步操作学习了。

我发现来小木虫问MS问题的同学，很多都是没有看过官方教程的，他们问的好多问题，在官方教程中就有明确的回答。最后，总结一下使用官方教程的好处：

其一，跟软件版本适用性好，这很好理解，因为你看到的MS官方教程本身就是针对你目前使用的MS版本所编写的，不存在过时、教程跟软件无法对应的问题。

其二，内容基础、全面，层次分明，由浅入深，循序渐进。说到内容全面，官方教程中会对各个模块的选项、子选项做说明，包括对选项的意义、适用条件、取值参考范围等的说明，官方教程中还会给出各个模块的参考文献，指出其理论依据（发过论文的同学，想必都知道这些参考文献的用途），这些都是其他教程难以述及的细节。

其三，MS软件界面本身就是英文的，按官方教程直接操作软件，衔接性好、操作流畅，便于养成良好的操作习惯。

4

问：如何查找跟自己研究内容相关并且使用MS作为研究工具的文献？

答：就像大家都知道的那样，对于文献检索，一个通用的方法就是使用谷歌学术。比如对于这个问题，可以在谷歌学术中，以研究内容和“materials studio”作为关键词进行搜索，获得满足要求的文献。对于这个问题，除了用谷歌学术，还有更好的方法吗？我的回答是肯定的：http://references.accelrys.com/，对，使用这个链接来搜索。下面举个例子。

近几年，石墨烯可谓大红大紫，是学术研究的热点。在链接http://references.accelrys.com/中，以graphene（石墨烯的英语单词）作为关键词进行搜索，即可轻松得到如下图的结果：

从图片可以看到，搜索结果列出了文献的标题、作者、采用的MS的模块名、发表期刊、发表时间等信息，点击某篇文献的标题，将立刻跳转到该文献的下载界面，便于下载阅读。

除了上述信息，位于搜索结果左侧的那些统计信息的参考价值更大。图中①标记的是用MS研究石墨烯的文献的模块使用情况，可以看到，这些文献使用量子力学（Quantum Mechanics ）的模块最多，且尤其以DMol3模块的使用频率为最高。②标记的是从2001年以来用MS研究石墨烯的热门程度，从图中可以看到从2008年来，这类研究逐渐转热（数字“2008”粗体，且大字体），最近的五年（2012~2016年）研究的热度一直保持高位，而且在最近的五年中，尤其以2015年发表的相关文献最多（数字“2015”粗体，且字体最大）。③标记的是这类文献的研究关键词，可以为了解研究分支方向的热门程度提供参考。

当我们打算用MS来为自己的研究做点什么时，有一个首先要回答的问题：MS模块那么多，到底用哪个（些）模块？确实，这是一个重要的问题，MS模块那么多，不可能也没有必要每个模块都学。此时，①标记的模块统计信息就很有参考价值。文献是前人研究的成果，具有一定权威性，跟着文献做，至少方法上的可行性很高，不容易走上走不通的路；文献中的计算方法、建模步骤、计算参数设置等细节，很有借鉴价值，这些细节一般在通用的MS教程中是学不到的，而且借鉴之也能让你自己的论文有依据，当审稿人问你，为什么用某某建模方法、某某参数设置时，把文献列出来，大都是能让审稿人信服的。借鉴好的文献，就是站在巨人的肩膀上。

5

问：为了构建某晶体的晶胞结构，需要知道哪些信息？

答：构建某晶体的晶胞，以下信息缺一不可：

第一，该晶体晶胞的空间群，这是晶胞的对称性信息；

第二，该晶体晶胞的晶格常数，一共包括6个参数，其中长度参数3个：a、b、c；角度参数3个：α、β、γ；

第三，该晶体晶胞中所有原子的三维空间坐标（x, y, z）。

6

问：从哪里可以获得构建晶体晶胞所需的全部信息？

答：对于常见的晶体（这也是最常见的情况），可根据晶体的种类，从以下经典的数据库获得其晶胞信息：

a. 无机晶体：查ICSD*，小木虫中可获得的FindIt软件，就是该数据库的脱机版，建议下载该软件；

b. 有机晶体：查CCDC提供的CSD**，小木虫中可获得的CCDC软件，就是该数据库的脱机版，同样建议下载该软件。

所以，如果同时拥有FindIt和CCDC软件，即可获得大多数晶体的晶胞信息。

不过，新近合成的晶体的晶胞信息，由于上述数据库的更新存在一定滞后性，在其中不一定能找到。此时，可试着从发表该晶体结构的学术论文上查找所需的晶胞信息（这类文献常直接提供晶体的cif文件）。需要说明的是，上述ICSD和CCDC中的晶胞信息，实际上，绝大多数也是来源于已经发表的文献（包括学术论文），对于常见的晶体，推荐直接使用这两个数据库，而不是检索文献，是因为这样做最为便捷。最后，还有一个种特殊情况：自己合成了一种新的晶体，想构建它的晶胞结构怎么办？那只能自己培养单晶，做XRD解晶体了。

*注1：ICSD（The Inorganic Crystal Structure Database），无机晶体结构数据库

**注2：CCDC（The Cambridge Crystallographic Data Centre），剑桥大学晶体学数据中心；CSD（Cambridge Structural Database），剑桥大学结构数据库

7

问：为什么找到的晶胞信息中

其他原子的坐标信息均有，

唯独H原子的坐标信息缺失？

答：这是一种常见的情况，这种情况常常出现在含有结晶水的晶体的晶胞信息中。出现这种H原子的坐标信息缺失的原因主要有两个：

其一，我们都知道，H是元素周期表中第一个元素，H原子也是最轻的原子，相对于其他更重的原子，H原子的热运动更为剧烈，所以其在XRD测试时难以被捕捉到，难以确定其位置，最终导致其坐标信息的缺失；

其二，测试条件、技术的限制，这种H原子的坐标信息缺失的情况，在年代较为久远的文献中，存在更普遍，原因之一就在于以前的仪器、技术条件没有现在发达、成熟。

8

问：H原子的坐标信息缺失，还想构建晶胞怎么办？

答：对于常见的晶体，其晶胞信息的文献来源往往不止一篇文献（实际上，很多常见的晶体，发表其晶胞信息的文献可能有十几篇，甚至几十篇供选择），可试着查找其他文献来源，往往能找到包含H原子坐标的完整的晶胞信息。

如果查阅了所有文献，还是无法获得包含H原子坐标的完整的晶胞信息，此时，只能考虑像问题6中提到的那样，自己培养所需晶体的单晶，做XRD解晶体了。

9

问：已经获得了完整的晶胞信息，

如何在MS中把晶胞构建出来？

答：主要有以下两种方法。

其一，根据晶胞信息，手动构建晶胞：在MS中新建一个xsd文件，打开该xsd文件，在MS软件界面上选择build→crystals→build crystal，依次输入空间群、6个晶格常数，这样晶格骨架就建好了。然后，在MS软件界面上选择build→add atoms，把所有原子的坐标依次输入，就完成了整个晶胞的构建。

其二，直接导入结构文件，构建晶胞：这是一个简便方法，前提是获得该晶胞的结构文件，比如常见的cif文件，直接导入到MS即可：把该cif文件直接拖拽进MS界面，或者在MS界面中选择File→Import，再浏览到存放该cif文件的目录。

对于第二种方法，要特别注意：cif文件直接导入MS时，空间群可能会发生变化，这也是很常见的问题。把cif文件直接导入MS建模后，应立刻在properites中检查lattice 3D中的各参数与cif文件中的一致性，这是保证建模正确的基本步骤。如果发现不一致，应该以cif中的空间群为准，并在MS软件界面上选择build→crystals→rebuild crystal，把空间群改成与cif文件中给出的一致即可。

10

问：如何在MS中，选择合适的模块来开展计算？

答：无论研究的内容如何，涉及使用MS的计算，总是在MS的模块中进行的。也就是说，进行计算之前，首先要确定的是使用MS的哪个（些）模块。确定MS使用模块的通用的经验原则如下：

（1）根据自己研究的需求、期望获得的结果，确定MS模块的类型。

MS模块的类型，可大致分为4类：量子力学类模块、分子力学类模块、蒙特卡洛类模块、晶体学类模块。每个模块都有其他模块没有的、自己特有的计算功能。举几个例子，如果想做晶体形貌、晶体主要形貌晶面确定的相关计算，晶体学类模块中的Morphology模块肯定能成为重点使用的模块之一；如果想计算能带、态密度，就应该选择量子力学类的模块，分子力学类和蒙特卡洛类的模块没有这样的功能。当然，为了确定合适的模块，应对MS中各类模块的基本功能有所了解。

然而，在实际中，匹配自己需求的模块，并不是如上例中那么明显的。举个很常见的例子，做有机分子在某晶面上的吸附，通常涉及几何优化、动力学计算等步骤，MS中的量子力学类模块、分子力学类模块、蒙特卡洛类模块3个类型的模块中均有模块能实现几何优化、动力学计算等功能，那么该如何选择呢？此时，就要根据自己构建的模型的具体情况来确定适合的模块，具体如下。

（2）根据自己构建模型的尺寸、原子数，确定合适的MS模块。

a. 模型较小，包含数十、乃至数百个原子，可选用量子力学类模块；

b. 模型中等大小，包含数千至数万个原子，可选用分子力学类模块；

c. 模型较大，包含大量的原子（数万乃至更多），可选用蒙特卡洛类模块。

上述经验原则的确立，实际上很大程度上源于现有计算平台条件的限制，这里的计算条件主要是指计算机的内存大小、CPU性能。计算平台的内存大小主要决定能构建的模型的大小（模型的尺寸、包含的原子个数），CPU性能主要决定计算的快慢。所以，上述经验原则，实际上是根据现有常见计算平台的配置来确立的。举个例子，对于一个包含五百个原子的晶面、若干个有机物分子、以及一个厚度可观的真空层的模型，在普通工作站上，以量子力学的CASTEP模块来做几何优化，计算精度选中等，即便该工作站的内存足以支撑模型，并打开所有CPU并行，计算的耗时也是非常可怕的，有时候计算耗时甚至会大到让人无法接受的程度，比如一个月，为一个正确性未知的结果，等待一个月，这肯定是难以接受的！若模型包含的原子数进一步增加一倍，仍采用CASTEP模块，也许上述工作站的内存连构建模型都不够，更谈不上后续计算的开展了（说得直白点，模型都无法构建，何谈对模型进行计算）。然而，上述用CASTEP模块难以计算的模型，放在分子力学类的Forcite模块中做几何优化，整个过程的耗时往往只是分钟级别的，这是多么大的速度提升！

（3）根据对精度的要求确定合适的MS模块。

对于同一个计算模型，在基本相当的计算精度下，量子力学类模块、分子力学类模块、蒙特卡洛类模块，计算精度依次递减，计算耗时依次递减。如果对计算精度有较高的要求，而此时计算的耗时又尚在可接受的范围之内，通常选用量子力学类的模块。举个例子，对晶胞进行几何优化，若精度要求较高，一般会选择用Dmol3或者CASTEP来做。

（4）考虑模拟的过程是否涉及电子的得失和转移。

我们知道，化学反应通常是涉及电子得失和转移的，而MS中量子力学类模块的Dmol3、CASTEP模块的计算涵盖了原子的电子。说个题外话，正是因为上述模块考虑了数目众多、行为复杂的电子，才使得它们的计算速度，相比于分子力学类的模块，显得如此的慢。而分子力学理论本身构建的思想，就是要舍弃那些“数目庞大、行为复杂、却又微不足道”的电子，所以从基本理论上，就决定了分子力学类的模块，不具备考察电子行为的功能（但计算速度大大加快）。所以，对于涉及电子得失或转移的过程（诸如涉及化学反应的过程）的模拟，应当选择量子力学类的模块，分子力学类、蒙特卡洛类的模块都爱莫能助。

（5）考虑使用分子力学类模块时，力场的局限性。

由于分子力学类模块的计算速度较快，而计算精度尚可，使得MS中的分子力学类模块成为了使用频率最高的模块之一。然而，分子力学类模块有一个很大的局限性，就是力场，更确切地说，是力场的适用性。在MS的分子力学类模块中，计算之前必须指定（不管是操作者手动指定，还是让模块自动指定）计算模型中所有原子的力场参数，力场是计算的基础，模型中任何一个原子力场参数的缺失，都会导致计算失败。遗憾的是，目前还没有哪个力场，其适用性足以涵盖绝大多数原子、离子、官能团、粒子团。举个例子，大家非常熟悉的COMPASS力场，适用的范围也仅是其列出的一个表格中的那些，比如COMPASS中没有三价铝离子的力场参数。

如果找遍了各类力场，还是无法获得对自己研究的模型具有完整适用性的力场，此时可考虑转向量子力学类的模块，对于分子力学类模块常处理的几何优化、动力学计算，量子力学类的模块的适用范围广泛得多。当然，为了适应量子力学类模块的特点，模型应进一步简化，以减少原子个数和模型尺寸。

最后，关于力场的问题，作一点说明。上面提到，如果力场参数缺失，可考虑使用量子力学类的模块，那如果无论采取怎样的措施，模型还是很大，无法使用量子力学类的模块来计算怎么办？有一个绝妙的解决方案：等。对的，就是等。计算机硬件的升级更新非常之快，目前无法开展的计算，也许过几年，计算平台的内存、CPU性能就能满足现在的计算要求了呢！

........

16

问：分子力学类计算中，截断半径、

盒子尺寸如何合理地设置？

答：在分子力学类计算中，范德华力、静电力（库仑力）都是至关重要的作用力，从这些作用力的计算公式可以看到，它们的大小与距离有着密切的关系。理论上，为了完全地考察一个粒子的受力情况，应当考察以该粒子为圆心、半径r=∞的球体内所有的其他粒子对该粒子的作用。但这只是从理论上讲，实际上，随着r数值的增大，计算量将急剧增大，对于r数值很大的情况，即便是使用高速的计算机来处理，计算量也是恐怖级的了；幸运地是，没有必要将r取到很大，因为上述作用力均随着距离的增大而迅速衰减，所以，将r截取为不算大的数值（即截断半径），即可获得令人满意的计算精度。

此外，在分子力学类计算中，基本上都会应用周期性边界条件。当截断半径、周期性边界条件两者遇到一起时，可能出现一个问题：当盒子尺寸不够大时，待考察粒子与其自身的镜像之间的距离会小于截断半径，导致出现该粒子与其自身发生作用的异常情况。为了解决这个问题，盒子尺寸应当足够大，至少应大于截断半径。现在正面地回答这个问题：

（1）对于截断半径，其代表着计算的精度，为了保证计算结果的质量，截断半径不能取得过小。其实不必想得这么复杂，MS已经给出了几档截断半径的精度，比如9.5（coarse）、12.5（medium）、15.5（fine）、18.5（ultra-fine）埃米，这些数值不是开发者随意选取的，而是根据长期的计算经验选取的能代表精度档次的经典数值。在实际的计算参数设置中，直接从MS的预设值中选取即可，没必要自定义一些比较“另类的”数值，比如12.8、13.8这类非经典数值；一般计算选择12.5（medium）及以上的精度；对于SCI期刊，建议选取15.5（fine）及以上的精度。

（2）对于盒子尺寸，大家可能听说过“盒子尺寸应大于等于截断半径的2倍”这一说法。个人认为，这是一个比较保险的准则，实际上，盒子的尺寸与截断半径的大小关系，应当根据计算目的来确定。举个例子，如果以计算能量为目的，为了节约计算时间和计算资源，盒子尺寸略大于截断半径的1倍即可；如果想计算RDF，盒子尺寸则须略大于截断半径的2倍。简而言之，如果想省事，就按“盒子尺寸应大于等于截断半径的2倍”来处理，一般问题不大。此外，如果计算资源充裕，可设置更大的盒子尺寸。

（3）对于确定截断半径和盒子尺寸的先后顺序，不少MS初学者，会有一个误区：先确定盒子尺寸，再确定截断半径。比如，有虫子问“盒子尺寸十几埃，截断半径取七埃，可以吗”（问题大意是如此，如果数据不够精确，见谅），“盒子尺寸十几埃，截断半径取七埃”最大的问题在于，截断半径太小，难以保证计算精度，计算精度不够，谈何保证计算结果的正确性和可信度？截断半径过小，计算精度不够，计算结果可信度不高。截断半径过大，大到大于盒子尺寸，计算结果是错误的。总之，建议先设定计算精度（截断半径），再根据计算目的来设置合适的盒子尺寸。

（来源：小木虫论坛 作者：蓝只月 原文链接：http://muchong.com/t-11279111-1）

点击阅读原文可查看全文。更多MS问题及解答，请点击：http://www.ekexiu.com/shtml/a/20171117/102789.html

福利时间：如有需要MS软件和教程的同学，请加小编微信：18519589389，并备注：MS，领取。周一统一回复。

#往期热文推荐#