Materials Studio是全尺度材料模擬平臺，它不僅擁有優(yōu)異的操作界面，快捷實現(xiàn)模型搭建、參數(shù)設定以及結果的可視化分析，而且融合多種模擬方法，整合多達23個功能模塊，實現(xiàn)從電子結構解析到宏觀性能預測的全尺度科學研究。歷經多年的發(fā)展，Materials Studio變得更加完善，更加靈活，多種應用程序接口以及腳本編寫功能的添加使其能夠更好的滿足各類用戶的研究需求。其所擁有的近400家用戶涵蓋材料、物理、化學、化工等多個領域，相關的研究工作在各類權威期刊上發(fā)表論文過萬篇。

Materials Studio中的Polymorph predictor模塊可基于分子結構來搜索其可能存在的多晶型結構；Reflex Plus模塊可以基于材料粉晶X 射線、中子或者電子衍射圖譜，指標化譜圖，精修結構，解析材料的晶體結構，Reflex QPA可以進行定量物相分析，給出各個單相的百分比含量；Morphology模塊可預測得到晶體各種可能的形貌，并可結合Forcite plus考察溶劑、雜質對晶體形貌的影響。

主要相關模塊：Reflex（Plus）、Reflex QPA、Polymorph predictor、Morphology

案例一：乙氧唑磺胺晶體結構的確定：X射線粉末衍射、固體核磁共振、分子模擬相結合的解決方案

所用模塊：NMR CASTEP、CASTEP、Reflex Plus、Forcite Plus、COMPASS

乙氧唑磺胺(Ethoxzolamide)是治療水腫藥物的活性成分，也是最早的碳酸酐酶抑制劑之一。其單晶生長困難，且粉晶X射線衍射(XRPD)數(shù)據(jù)難以唯一確定其晶體結構，因此，研究人員通過分子模擬將XRPD和固態(tài)核磁共振譜(SS-NMR)相結合，共同確定了乙氧唑磺胺的晶體結構。他們利用量子力學方法優(yōu)化了基于XRPD的Rietveld晶修結果，并計算了相應的SS-NMR。通過與實驗SS-NMR的對比，最終確認Etho_dA和Etho_uA為最可能晶體結構。不僅如此，他們還利用分子力學方法研究了單個乙氧唑磺胺分子的構象，對實驗SS-NMR做出了相應的解釋。這一研究將 多種方法相結合，建立了研究分子晶體結構的新思路。

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乙氧唑磺胺分子的兩種構象(NH2相對于苯并噻唑環(huán)的位置不同：向上構象Etho_u；向下構象Etho_d)

表1. 實驗和理論計算的 13C 化學位移的對比

Reference：Testing the limits of sensitivity in a solid-state structural investigation by combined X-ray powder diffraction, solid-state NMR, and molecular modelling,?Phys. Chem. Chem. Phys., 2013,?DOI: 10.1039/c1cp21878f

案例二：新共價有機骨架材料Pd/COF-LZU1的制備、表征及在Suzuki偶聯(lián)反應中的應用

所用模塊：Reflex、Forcite、DMol3

共價有機骨架(COF)材料是一類新型的介孔晶體材料，在氣體吸附、存儲、特別是催化領域具有巨大的應用潛力。蘭州大學的研究人員以均苯三甲醛和1,4-苯二胺為原料合成了新的COF-LZU1，并利用亞胺配體的特性，在COF-LZU1層間引入鈀(Pd)原子，合成的Pd/COF-LZU1在Suzuki偶聯(lián)反應中體現(xiàn)了優(yōu)異的催化性能。研究中將Pawley 修正與分子模擬相結合，基于粉晶X射線衍射(XRPD)數(shù)據(jù)確定了COF-LZU1的晶胞參數(shù)，堆積方式以及層間距，克服了COF材料XRPD數(shù)據(jù)難于直接處理的問題。目前，這一確認晶體結構的方法在COF材料的研究中有著廣泛的應用。

COF-LZU1可能的兩種堆積方式以及對應的XRPD與實驗數(shù)據(jù)的比較

a為實驗XRPD數(shù)據(jù)；c為與e、f所代表的重疊堆積對應的模擬XRD譜圖；d為與g、h所代表的交錯堆積對應的模擬XRD譜圖

Reference：Construction of Covalent Organic Framework for Catalysis: Pd/COF-LZU1 in Suzuki–Miyaura Coupling Reaction,?J. Am. Chem. Soc., 2011,?DOI:?10.1021/ja206846p

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案例三：有機材料晶體結構的預測：針對DPP(1,4-diketo-3,6-diphenylpyrrolo(3,4-c)pyrrole)和DPPP(1,4-diketo-3,6-bis(4′-dipyridyl)-pyrrolo-[3,4-c]pyrrole)的測試

所用模塊：Polymorph Predictor、 COMPASS、Reflex

顏料是LCD、OLED顯示器中的關鍵部件。近幾年對顯示器件創(chuàng)新的需求不斷增加，引起了對有機顏料的廣泛研究。由于顏料的主要物理化學性質，如顏色、亮度、侵透性、耐光性等，受其晶體結構和形貌的影響，因此，韓國高麗大學的研究人員采用蒙特卡洛(MC)模擬退火法預測了橙紅色顏料DPP及其具有高質子親和力的衍生物DPPP的晶體結構，并進一步將預測晶體結構的模擬XRD圖譜與實驗數(shù)據(jù)進行對比，最終確定了DPP和DPPP的晶體結構，所得結果與已有實驗結構一致。研究表明Polymorph Predictor和Reflex的組合能夠為我們提供另一種獲取分子晶體結構的有效方法。

模擬得到的DPPP的Phase I(a)和Phase II(b)的XRD譜圖與實驗的對比。Phase II中分子構象與實驗研究結果有一定差異

Reference：Crystal structure prediction of organic materials: Tests on the 1,4-diketo-3,6-diphenylpyrrolo(3,4-c)pyrrole and 1,4-diketo-3,6-bis(4′-dipyridyl)-pyrrolo-[3,4-c]pyrrole,Dyes and Pigments., 2011,DOI:10.1016/j.dyepig.2010.08.017

案例四：雜質對于農藥活性成分晶化過程的正、逆影響：基于立體化學合理性和納米尺度晶體生長可視化的研究

所用模塊：Amorphous cell、Morphology、Forcite plus

在利用溶液結晶制造精細有機化學品的過程中，合成產生的微量副產物會影響活性成分的晶體生長、提純、分離以及產量。研究人員將分子模擬與實驗相結合，研究了副產物：亞氨基二亞甲基膦酸(IMPA)、氨甲基膦酸(AMPA)及雙甘膦(PIDA)對N-草甘膦(PMG)晶體生長的影響。研究利用模擬方法獲得了與實驗觀測一致的純PMG的晶體慣態(tài)，得到的三種副產物在PMG不同晶面的束縛能數(shù)據(jù)不僅與它們的實驗分離系數(shù)相一致，而且與原位原子力顯微鏡相結合，揭示了PIDA對IMPA導致的PMG晶體慣態(tài)改變的逆影響機制。研究表明，分子模擬方法的使用對于深入探討雜質影響活性成分晶化過程的分子機制有重要意義。 ?

PMG的晶體慣態(tài)：沿(100)和(010)取向獲得的顯微圖像(a)和(b)；基于BFDH方法的模擬結果(c)；基于附著能方法的模擬結果，分別沿a、b軸(d,e)

表1 雜質分子在PMG晶體不同晶面的結合能（kcal/mol)

Reference：The Effect and Counter-Effect of Impurities on Crystallization of an Agrochemical Active Ingredient: Stereochemical Rationalization and Nanoscale Crystal Growth Visualization,?Crystal Growth & Design., 2011, DOI: ?10.1021/cg1012878 ?

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