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分子ソフト&インフォマティクス
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分子&インフォマティクス

分子モデリング・
シミュレーションソフトウェア
Materials Studio

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BIOVIA MATERIALS STUDIO FLEXTS(新モジュール)

量子力学から反応速度論へ

相互に依存する反応が複雑に競合する反応機構を明らかにし、化学反応速度論に基づいて反応を理解するために、量子力学から反応速度論への橋渡しで重要となるのが、「反応物と生成物の間のエネルギー地形上の鞍点に対応する個々の素反応の遷移状態の同定」と「活性化障壁の高さ」です。BIOVIA Materials Studio FlexTS には、ケンブリッジ大学の研究者らにより開発されたプログラムをベースにした信頼できる反応経路計算手法が実装され、最小エネルギー経路や遷移状態の計算、多段階反応の同定などが可能になりました。段階的な計算手法が組み込まれており、まずは最小エネルギー経路を同定してから、遷移状態や、個々の遷移状態に関連する中間状態を同定します。

  • Full Path: 反応物と生成物の構造を入力情報として、それらの中間にある 1 つまたは複数の遷移状態や準安定な中間状態を同定し、反応物と生成物の構造を結ぶ経路を探し出します。以下のNudged Elastic Band とTS Path を組み合わせたタスクです。
  • Nudged Elastic Band: 反応物と生成物の構造を入力情報として、それらの中間を指定した数の構造イメージを仮想的なバネでつなぎ、最大の繰返し回数に到達するか、設定した収束閾値に達するまでNudged Elastic Band 計算を実行し、反応経路を予測します。このタスクは、活性化障壁が非常に低いまたは障壁がない反応の研究にも有用です。
  • TS Path: 遷移状態として推測した構造をHybrid Eigenvector Following 法により最適化し、真の遷移状態を決定します。その後、遷移状態に対応する反応物と生成物の構造を決定します。

FlexTS で遷移状態に関する情報を取得していれば、DMol3 Reaction Kinetics タスクを実行することで、BIOVIA Materials Studio のCantera モジュールや Kinetix モジュールへの入力となる速度係数を取得することができます。

  • 安定した動作で、使いやすい遷移状態探索機能
  • 反応経路の予測や遷移状態の最適化などの複数のオプション
  • Materials Studio のさまざまなモジュール (DMol3、DFTB+、FlexTS、Kinetix、Cantera) を使用してさまざまな反応を詳細に解析
反応経路の探索ステップ

FlexTS による遷移状態探索における遷移状態および反応経路の探索ステップ

BIOVIA MATERIALS STUDIO PHASEFIELD(新モジュール)

マルチスケールでの合金設計

フェーズフィールド法はこれまで長く用いられてきた手法であり、メソスケールでの微細構造の状態変化を対象とし、固体材料の凝固や相変態、樹状突起成長、結晶粒の粗大化や、成長などを予測するものです。微細構造を予測するために、BIOVIAMaterials Studio PhaseField には OpenPhase Solutions 社のOpenPhase Core ソルバーが搭載されています。このソルバーには、十分な検証作業が行われた完成度の高いフェーズフィールド法が実装されています。フェーズフィールド法では材料をメソスケールで、粒子の分布として表現するため、個々の粒子は結晶相の組成や配向性と対応付けられます。相の熱力学的性質や動力学的性質を記述する方程式を使用することにより、相の時間的な変化を明らかにすることができます。これにより、そうした特徴を表現する数多くの物理的パラメーターを測定あるいはシミュレーションすることができます。

Pipeline Pilot の Materials Studio Collection ではフェーズフィールド・シミュレーションのためのプロトコルが提供されており、いずれもMaterials Studio 2021 の Pipeline Pilot Connector を介して利用できます。これらのプロトコルの使い方を説明する 2つのチュートリアルが、Materials Studio Online Help に追加されています。BIOVIA Materials Studio PhaseField を使うと、分かりやすいインターフェースを介して成分相や粒子の設定、熱力学的および動力学的データの入力、温度、圧力条件などを簡単に定義することができます。

積層造形

フェーズフィールド法の重要なアプリケーションの 1 つが金属積層造形です。BIOVIA Materials Studio PhaseField を利用すると、パウダーベッド方式の積層造形において微細構造の印刷条件に対する依存性を把握できます。この方式では、合金粉末の個々の層がレーザーや電子ビームによって溶かされ、高温になったあと温度が降下します。微細構造をシミュレーションすると、材料の組成と製造条件を同時に設計できるようになります。その目的は、積層造形で作られる部品に求められる仕様を満たすことです。BIOVIA Materials Studio PhaseField で微細構造を予測すれば、粒子のサイズや相分布を直接見ることができます。また、そうした微細構造から、代表体積要素 (RVE) モデルとして材料特性を均質化して表示することも可能です。PhaseField で RVE の SIMULIA Abaqus 向けデータを生成し、作業を効率化することもできます。

BIOVIA Materials Studio 2021 を導入すると、研究者は BIOVIA Materials Studio CASTEP を使って原子スケールでの合金の熱力学特性を第一原理計算やクラスター展開法に基づいて予測し、BIOVIA Materials Studio PhaseField を活用して金属鋳造や積層造形などの巨視的な世界への連携を実現できます。こうした材料の原子レベルからマイクロスケールまでの包括的なシミュレーションでは、新たに微細構造に対する加工条件による影響を取り込めるようになり、部品製造における合金の開発・認証作業を大幅にスピードアップすることができます。

PhaseFIeld のシミュレーション結果

BIOVIA Materials Studio PhaseFIeld のシミュレーション結果。
アルミニウム- マグネシウム合金の冷却過程での核形成と成長を示しています。

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Forcite(新機能・機能強化)

  • Materials Studio 2021 が対応しているすべてのジョブ管理システムで新たに、Forcite の計算に GPUを使うことができます。
  • Materials Studio の力場の関数形として、Urey-Bradley 相互作用や CHARMM 力場の Inversion が利用できます。
  • Materials Studio の力場の関数形として、ファンデルワールス相互作用を表すレナード・ジョーンズポテンシャルの新しい形式となる LJ_12_6_14 型が追加され、1-4 相互作用に対して異なる R0 値や D0 値を指定できるようになりました。
  • cvff 力場を拡張した力場として、cvff_aug をインポートできるようになり、非晶質 (ガラス) モデルのシミュレーションに利用することができます。

COMPASS(新機能・機能強化)

  • COMPASS III に新しい力場パラメーターが追加され、リチウムイオン電池関連のホウ素化合物、たとえばビス (オキサレート) ボレートやジフルオロ (オキサレート) ボレート、ピリジン三フッ化ホウ素などの計算に対応しました。

GULP(新機能・機能強化)

  • GULP に分子を剛体として扱う機能が追加され、周期境界条件を問わず、分子やバルクや表面系の構造最適化を分子の形状を維持したまま実行し、得られた構造を使って特性計算、フォノン計算などが実行できます。
  • 新しい ReaxFF ライブラリ、ReaxFF SEI が利用できるようになりました。ベースとしている Hossain らの論文[Hossain (2020)] で、リチウムイオン電池の電解質や固体電解質界面 (SEI) の計算を対象としています。

CASTEP(新機能・機能強化)

  • 脆性材料向けに、Niu の経験的モデル [Niu (2019)]を用いて破壊靭性を計算できるようになり、Elastic Constants タスクの計算結果に含まれるようになりました。
  • 孤立分子の溶媒和エネルギーを計算できます。
  • 非線形光学材料の第二高調波発生の 2 次非線形感受率テンソルを計算できます。
  • ベリー位相に基づいて自発分極を計算できます。

DMol3(新機能・機能強化)

  • 脆性材料向けに、Niu の経験的モデル [Niu (2019)]を用いて破壊靭性を計算できるようになり、Elastic Constants タスクの計算結果に含まれるようになりました。

ONETEP(新機能・機能強化)

  • B3LYP、PBE0 などの複数のハイブリッド汎関数を実装しました。
  • 既存の溶媒モデル (MPSM) を拡張し、電解質を点電荷として導入し、そのスカラー場を考慮してポアソン- ボルツマン方程式を解くことで電解質濃度を決定し、溶媒和自由エネルギーや活量係数の計算が可能になりました。
  • ONETEP をアカデミック版バージョン 6.1.1に更新しました。
  • CASTEP のスピン軌道相互作用の計算機能を拡張し、以下の計算に対応しました。
    • - OTFG Norm Conserving 擬ポテンシャルに対応
    • - 光学的特性の計算に対応
    • - 非局所型交換相関汎関数を用いた計算に対応
    • - BIOVIA Materials Visualizer から設定したノンコリニア・スピンを使用した計算
破壊靭性 (K IC) と弾性率の間の相関関係がモデル化

破壊靭性 (K IC) と弾性率の間の相関関係がモデル化され、CASTEP と DMol3 に実装されました [Niu (2019) ] 。
脆性が高いセラミックスやイオン性物質の硬度を評価することができます (赤い●は Materials Studio の結果、緑の■はNiu らの結果)

Cantera(新機能・機能強化)

Cantera をバージョン 2.4.0 に、Python をバージョン 3.8.1 に更新しました。

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PIPELINE PILOT の MATERIALS STUDIO COLLECTION の機能を強化

合金用プロトコル

  • CALPHAD データベースを作成するためのプロトコルで、格子振動のエネルギーへの寄与を追加できるようになりました。
  • Grain Growth (PhaseField) プロトコルが追加され、フェーズフィールド法を使用して合金粒子の成長をシミュレーションできるようになりました。
  • Solidification (PhaseField) プロトコルが追加され、フェーズフィールド法を使用して合金の凝固をシミュレーションできるようになりました。

ポリマー用プロトコル

  • 複合系の接着エネルギーを計算するためのプロトコルが追加されました。
  • Mesocite モジュールの Energy、Geometry Optimization、Dynamics、Shear、Dissipative Particle Dynamics (DPD) などのタスクに対応するコンポーネントが追加されました。粗視化シミュレーションに使用するメソスケール構造を作成するための新規コンポーネントも追加されました。テンプレートと呼ばれるボックスを定義する機能や、テンプレート内の領域に粗視化分子やポリマーを充填して構造を作成することができます。
  • 既存のプロトコルに、粗視化モデルを使用して高分子ネットワーク構造を作成する新しいプロトコルが追加されました。
  • パフォーマンス向上: Forcite や Mesocite を使用するプロトコルや、力場フィッティング用プロトコルでも、「Use GPU」パラメーターが追加され、GPU を使えるようになりました。GPU を使用して計算処理を高速化することができます。
高分子ネットワーク構造を作成

新しい Pipeline Pilot プロトコルを使用して、粗視化シミュレーションで使うための高分子ネットワーク構造を作成できます。

ポリマー用プロトコル

実験的に測定された結晶構造の外部データベース(Crystallography Open Database) や結晶構造や特性の計算結果を含む外部データベース (Materials Project) を利用するためのコンポーネントやサンプル・プロトコルが追加されました。

サンプル・プロトコル

逆非平衡分子動力学法に基づいて熱伝導率を計算するためのプロトコル (Calculate Thermal Conductivity) が追加されました。

熱伝導率計算のためのプロトコル

Materials Studio Collection 2021 で新たに利用できるようになった熱伝導率計算のためのプロトコルでの高温層と低温層の設定

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