1 MedeA軟件簡介

MedeA®為工程師和科學傢提供材料領域的專業解決方案，應用領域涵蓋瞭鋰電、汽車、儲能、半導體、電力、航天航空、石化、金屬合金、高分子材料等多個應用領域。

MedeA®能夠幫助研究者解釋實驗中觀察到的宏觀現象，從微觀的角度進一步理解材料的結構和性能，從而指導和設計實驗，節省人力、物力和財力。

MedeA®集數據庫、建模、計算、性質預測和可視化結果分析為一體。涵蓋Gaussian、VASP、MOPAC、LAMMPS、MOPAC等多個尺度的計算引擎，並能實現高通量計算及結果分析。

2 MedeA軟件架構

3 MedeA InfoMaticA ——數據庫

上百萬條數據，包含無機晶體、有機晶體、金屬晶體、相圖等

COD晶體開放數據庫：晶體開放數據庫，包含390,000條無機、有機、金屬有機等晶體數據。

Pearson's Date File：無機晶體數據庫，由美國材料信息學會發表，約有近303,000條數據，涵蓋ICSD數據庫中90%以上的數據。

NIST Crystal Data（NCD）：有機/無機晶體材料數據庫，包括合金、金屬間化合物、礦物等物質結構。

MSI Phase Diagram數據庫：MSI Eureka相圖數據庫，含晶體結構、相平衡、相圖、材料性能、晶體形貌、熱力學等性質。

4 MedeA運行環境

MedeA®強大的數據庫能夠幫助您搜索到您需要的材料結構，在Windows端的用戶圖形界面上創建各種模型，采用不同尺度的計算方法對材料進行模擬計算，緊接著通過相關性質預測模塊計算材料的熱力學、動力學、光學、力學、聲學、輸運性質和反應過程……在此過程中，我們建議您在高性能Linux工作站或者服務器上進行計算模擬及性質預測。

5 MedeA基本建模工具

5.1 Molecule Builder /New Molecule from SMILES /Polymer Builder

Molecule Builder提供瞭一個直觀的用戶圖形界面，可以創建分子及團簇等非周期模型，實現3D周期模型和非周期模型結構的無縫轉換。MedeA還提供簡化分子線性輸入規范SMILES，隻需通過ASCII字符串就能明確描述分子結構，比如多碳鏈分子。Polymer Builder能夠根據重復單元和聚合參數創建聚合物分子鏈模型。MedeA為您提供瞭120多種重復單元。同時，通過修改參數可以定義端基或主鏈的扭轉角度，創建出均聚物、共聚物及特殊聚合物。

5.2 Crystal /Surface /Supercell Builder

Crystal Builder可以根據空間群、晶格參數、原子位置等信息來創建各種晶體模型。Surface Builder可以創建符合化學計量配比的晶面，為之後的VASP和LAMMPS計算提供2D/3D周期性板層模型，並可交替改變表面終端，消除表面極性。

Supercell Builder可以模擬出擴展的表面和體相結構，具有三種構建方式：

(1)直接沿三邊擴展單胞的整數倍；

(2)根據指定超胞晶格參數來擴展；

(3)自定義三邊擴展的矢量方向。

5.3 Find Empty Space /Substitutions Search /Random Substitutions

強大的間隙摻雜、定位取代摻雜以及隨機取代摻雜建模工具。

Find Empty Space間隙摻雜工具可以搜索到結構中合理的空隙，並按照空隙的體積、配位、對稱性等信息進行分類，從而方便將原子插入空隙中心，構造摻雜模型。Substitutions Search定位取代摻雜/缺陷工具可以根據摻雜原子/空穴的個數和之間的距離，搜索所有摻雜/缺陷結構模型並給出原子個數和對稱性等結構信息。

Random Substitutions隨機取代工具可以隨機選取晶體中任意個數的某種原子並將其替代成其他原子或空穴。通過該功能可以輕松構造出一定空穴濃度的固體材料或者不同比例的多元合金材料。

5.4 Nanoparticles /Nanotube /Nanowrap /Nanowire Builders

MedeA基本建模工具中包含瞭納米團簇，納米管等模型的創建功能，通過形狀、鍵長、鍵角、懸掛鍵、對稱性等建模參數的設置，可以輕松創建各種不同元素的團簇，包裹，管狀，線狀的周期/非周期結構。

Nanoparticles能夠創建團簇及基礎殼層結構。

Nanotube能夠創建出各種納米管結構，比如碳納米管、硼氮納米管。

Nanowrap能夠創建出以兩端表面為內，外表層的包裹結構。

Nanowire能夠創建納米線結構。

6 MedeA軟件專業建模工具

6.1 MedeA®Interfaces Builder——界面建模工具

MedeA Interfaces Builder能夠在兩種晶體表面之間自動搜索並構建界面層。構建的界面模型包含扭轉晶界、共格晶界和半共格晶界等周期性模型 , 可直接用於第一性原理MedeA VASP或分子動力學MedeA LAMMPS計算。當然，您也可以在構建的界面模型中適當引入雜質，缺陷或間隙物種，創建較為特殊的界面材料。

6.2 MedeA®Amorphous Materials Builder——無定型材料建模工具

MedeA Amorphous Materials Builder模塊支持構建體相及層狀結構，允許在既有的結構中加入無定型相以構建多層結構（液-液、液-固、固-固界面模型等），並能創建多種無定型凝聚態，包括本體聚合物、共混聚合物、聚合物溶液、電解質體系、小分子液體、液體混合物、混合氧化物、無機玻璃體與熔體、向列液晶體以及未固化的樹脂/交聯劑前驅體。

6.3 MedeA®Thermoset Builder——熱固性材料建模工具

熱固性材料的主成分為高度交聯熱固性聚合物，廣泛應用於航空航天、汽車、電子光學設備的制造以及牙體修復、建築設計材料等領域。MedeA Thermoset Builder工具在創建交聯材料的過程中，將根據材料網狀結構和凝膠點的演變、粘結應力、缺陷位點等參數對材料特性嚴格篩選，並根據實驗中測定的交聯密度創建出無應變分子模型。采用MedeA Thermoset Builder工具可以創建出多種熱固性交聯模型，包括環氧樹脂、聚氨酯、雙馬來酰亞胺、聚酰亞胺、聚酯、熱固性丙烯酸、尿素、苯酚、三聚氰胺、甲醛塑料等材料。

6.4 MedeA®Docking——孔結構分子對接工具

MedeA Docking利用著名的Metropolis蒙特卡洛算法， 快速估計出主體與客體間的范德華作用，自動創建、修改和細化主-客體的結構，確定穩態能量，明確客體吸附物的位置與方向，從而評估並篩選出穩定的體系構象。

MedeA Docking還能夠組合多種客體吸附物與主體結構，得到多分子在孔結構中的對接模型。MedeA Docking創建的模型能夠直接應用於分子動力學MedeA LAMMPS和第一性原理MedeA VASP的計算。

7 MedeA® VASP —量子力學計算模塊

VASP是維也納大學Hafner小組開發的第一性原理量子力學計算程序。VASP程序包能夠基於密度泛函理論（DFT）、綴加平面波贗勢（PAW）和平面波基組進行幾何及電子結構優化計算。目前，VASP廣泛應用於體相、表面、界面、團簇和分子等各種體系的研究，可以實現大規模的高效率並行計算。VASP采用瞭周期性邊界條件（或超原胞模型）處理原子、分子、團簇、納米線（或納米管）、薄膜、晶體、準晶和無定性材料及表面體系。

MedeA®VASP將VASP程序包完全整合到MedeA軟件中，不僅簡化瞭VASP的計算參數設置，而且可以直接進行各種結果分析，得到材料的多種理化性質。

8 MedeA® VASP 性質預測模塊

8.1 MedeA ®Mechanical and Thermal Properties (MT)

MedeA MT模塊可以用於計算單晶、多晶體系的力學和熱力學性質。

• 能夠自動確定最少的彈性系數矩陣元個數。
• 能夠計算力學性質，如彈性常數矩陣，Voigt、Reuss、Hill三種模型下的
• 楊氏模量、剪切模量、體模量、硬度及泊松比等力學性質。
• 能夠獲得相關的熱力學性質，如德拜溫度、聲速、0-3000K下的熱容、
• 零點能、振動熵、亥姆霍茲自由能等。
• 能夠呈現以上熱力學性質對溫度的函數圖。
• 能夠基於VASP、LAMMPS、MOPAC計算各種體系的力學和熱力學性質。

8.2 MedeA®Electronics

MedeA Electronics模塊可計算固體的電子性質，包括費米能級附近較窄范圍內的電子態，這些電子態控制瞭材料對外電場或溫度（可以產生電流或熱流）的響應。

• 能夠按照要求的k-points，預測選定能帶的電子和空穴的有效質量。
• 能夠預測出關鍵的電導性質，比如電導率、霍爾系數、電子比熱容等。
• 能夠預測出關鍵的熱電性質，比如塞貝克系數、熱導中的電子貢獻。
• 能夠呈現出以上電子輸運性質對溫度、化學勢及載流子密度的曲線圖。
• 能夠呈現Fermi面的三維效果圖以及摻雜效應對Fermi面的影響。

8.3 MedeA® Phonon

MedeA Phonon模塊根據有限位移方法，計算原胞中的原子受力，構造力常數矩陣，計算分子、團簇、晶體、界面等體系中與溫度相關的振動性質。

• 能夠計算出聲子色散譜、聲子態密度。
• 能夠計算出與溫度相關的振動熱容、焓、熵、零點能、自由能等熱力學性質
• （0-3000k溫度范圍內），並呈現出熱力學性質對溫度的函數圖。
• 能夠在佈裡淵區中心點對振動模式進行對稱性分析，預測IR/Raman光譜。
• 能夠采用流程圖進行批量的Phonon計算。
• 能夠基於VASP、LAMMPS及MOPAC對相應體系進行聲子的計算。

8.4 MedeA® UNiversal CLuster Expansion（UNCLE）

MedeA UNCLE模塊能夠采用遺傳算法或壓縮傳感方法高效處理上百個輸入結構，延伸和擴展已有的集團，適用於體相空穴分佈、多組分體系穩定相的結構及介觀和微觀尺度材料的穩定性等研究。

• 能夠基於VASP模塊采用通用集團展開式預測介觀和微觀尺度材料穩定性，對體系有序或無序現象做出精確預測，找到全局最優結構。
• 能夠獲得材料相穩定性與溫度和濃度的函數關系，體系有序-無序的轉變溫度。
• 能夠計算出溶解度、混合度、隨機混合能及空穴濃度等參數。

8.5 MedeA®Transition State Search (TSS)

MedeA TSS模塊能夠確定化學反應或擴散過程中過渡態的結構和能壘大小，同時提供一套可自定義的過渡態搜索流程，提高過渡態搜索的成功率。

• 采用高效的Nudged Elastic Band（NEB）、 Climbing Image（CI）、Dimer、DNEB方法進行過渡態搜索；采用BFGS2優化方法對所有image結構進行優化；采用RMM-DIIS minimizer方法對已確認過渡態結構進行優化,獲得最終過渡態結構及能量。
• 提供細化過渡態的方法（refinement），在初步確定的過渡態image附近再次采用CI-NEB進行過渡態搜索，縮小搜索范圍細化過渡態。
• 自主組合NEB、CI-NEB、DNEB、refinement、Dimer、RMM-DIISminimizer多種優化方法，組建自定義過渡態搜索流程。
• 能夠給出過渡態結構及反應或擴散能壘；自定義image繪出能量曲線圖（energy profile）；查看已繪制energy profile對應的動畫軌跡。
• 結合Phonon模塊可預測過渡態在Gamma點處是否存在虛頻。

8.6 MedeA® Deformation

MedeA Deformation模塊用於計算材料在彈性區域之外的塑性變形，計算材料屈服強度、斷裂強度、剪切強度等力學性質。

• 能夠自動確定最少的彈性系數矩陣元個數。
• 能夠自動計算超出彈性范圍的力學性質。
• 能夠自動分析應力-應變曲線，計算材料楊氏模量、屈服強度、極限強度、斷裂強度和剪切強度。
• 能夠基於VASP或LAMMPS計算各種體系彈性之外的的力學性質。

9 MedeA® LAMMPS—分子動力學計算模塊

9.1 MedeA® LAMMPS

MedeA免費為用戶提供瞭LAMMPS模塊接口，力場由MedeA Forcefield模塊直接調用，力場參數自動分配到原子，通過流程圖Flowchart界面完成後續的多步平衡模擬。

流程圖包含多個組件，包括分子動力學模擬的基本操作組件，如體系初始化、能量最小化、初始化速度生成、NVT平衡模擬、NPT平衡模擬以及NVE平衡模擬等等，流程圖可保存、修改和分享，以便和其他科研工作者分享計算過程和參數設置。

9.2 MedeA®Forcefield

力場是分子動力學模擬的關鍵，其選擇影響結果的準確性 。MedeA Forcefield 為您免費提供瞭大量的先進力場數據庫，同時 , 力場文件可編輯，力場參數可添加或修改，外部力場文件可導入。

• 有機分子、聚合物力場：AUA，compass，compass+， small_molecules+solids ，oplsaa，
• oplsaa_extended，oplsaa+，pcff，pcff+，trappe+， AUA+
• 半導體力場：Stillinger-Weber，Tersoff，ZnCdTeSeHgS_Zhou_2013_Tersoff，SiO2-Si_Munetoh_2007_Tersoff ，REBO
• 無機化合物力場：bks， comb3，cvff_aug， inorganic， clayff-dioctahedral，clayff-triotahedral，clayff, Si-O_JCP2016-comb3，AlO_eam_coul，LiS_morse_coul，TaO_eam_coul
• 適用於金屬體系的嵌入原子勢EAM（Embedded Atom Potentials）：AlCo_Mishin_2013, AlCu_Cai_1996, AlMg_Adams_1997,AlNi_Mishin_2009, AlTi_Mishin_2003, Zhou_2004,FeNiCr_Bonny_2011, EAM_Adams, md-eam, Ni_EAM,Bonny’s spline-based EAM
• ReaxFF 化學反應力場：AlLiSiO，AuOH， LiSCFO. LiSiCHOF，MoS， PdCHO，PtCH，PtNiCHO，protein_water，ZnOH， clay_zeolite_water， FeCrOS，LiC，LiMnO，TiOH，VCHO，FeOHCl，HONB，CHONSPtClNi，CHONSMoNi，CuClOH，CuOH，epoxy，BaZrYOH，CeO，CHO，CHON

9.3 MedeA MLP（Machine Learning Potential）— 機器學習勢函數庫

提供已發表的SNAP算法機器學習合金勢函數，將量子力學的高精度擴展到瞭分子動力學尺度。

• 包含18個開箱即用的SNAP算法機器學習合金勢函數（適用體系：Cu，Ge，Li，Mo，Ni，Si，Ta，W，InP，Li3N，NbMoTaW，NiMo，WBe），能夠處理復雜的成斷鍵原子環境。
• 支持調用通過MLPG自行構建的機器學習勢函數，支持與其他分子動力學模塊結合使用。

9.4 MedeA MLPG（Machine Learning Potential Generator）— 機器學習勢函數生成器

采用多種機器學習算法對VASP計算生成的大量包含結構與能量的數據集進行訓練，擬合生成第一性原理高精度勢函數 (力場)。

• 能夠自動根據VASP數據集生成機器學習描述符，根據訓練集數據進行算法超參數優化，訓練完成後可自動輸出勢函數文件與質量評估分析報表。
• 支持Ziegler-Biersack-Littmark (ZBL) 短程相互作用勢，可模擬離子植入和輻照損傷。
• 支持先進的Spectral Neighbor Analysis Potential (SNAP)和神經網絡勢算法。

10 MedeA® LAMMPS 性質預測模塊

10.1 MedeA® Thermal Conductivity

預測體相和納米結構體系的熱導率，以及界面效應（Kapitza resistance）、雜質、同位素純度對熱導率的影響。

• 反向非平衡分子動力學方法（RNEMD）可用於所有體系的熱導率計算。
• 平衡分子動力學（EMD）Green-Kubo方法，適用於均質體系及原子電荷較小的體系，適當大小的初始模型便可以得到準確的結果。

10.2 MedeA® Viscosity

預測純液體以及液體混合物在不同溫度和壓力下的粘度。

• 平衡分子動力學（EMD）采用Green-Kubo方法，適用於粘度中等的體系。
• 反向非平衡分子動力學方法（RNEMD），適用於粘度較大的體系。

10.3 MedeA® Diffusion

預測物種的擴散性質，給出體系中指定成分的擴散系數。

• 計算原子的均方位移(MSD)，擬合均方位移和時間的關系得到擴散系數。
• 通過log(MSD)-log(t)圖顯示並確認擴散動力學的存在，自動作圖，可視化分析計算結果。

10.4 MedeA® Surface Tension

預測液體表面或界面處的表面張力。

• 支持多層模型中表面張力的計算，研究界面附著特性。
• 可用於計算溶液以及熔體的表面張力。

10.5 MedeA® Deposition

模擬粒子在基體表面的沉積、生長、氧化及腐蝕等過程，分析粒子與基體表面的相互作用。

• 能夠自定義沉積粒子的速度、能量、入射角度以及頻率等因素。
• 給出沉積粒子分佈圖，分析滲透深度、反應范圍、生成厚度等。

10.6 MedeA® Cohesive Energy Density

根據物質間的作用力參數，算出單位體積的內聚能，並且評估出分子間作用力的大小以及分子所含基團的極性大小，研究不同組分間的相容性。

• 能夠準確計算無定型凝聚相(如高分子)的內聚能密度。

11 MedeA® GIBBS—蒙特卡洛計算模塊

• 基於分子力學及蒙特卡洛算法（Monte Carlo）根據分子形狀、柔性、極性計算熱力學性質。
• 對於單相氣體和液體分子體系，能夠計算密度、摩爾體積、結合能、化學勢、熱膨脹系數、蒸汽壓、汽化焓等相性質。
• 對於兩相或多相氣液混合相，能夠計算相組成、相密度、結合能等。
• 對於孔結構吸附分子的體系，能夠計算各物種的吸附量、主客體能量、積分吸附熱等。

12 MedeA® MOPAC—半經驗量化計算模塊

• 采用AM1，MNDO，MNDOD，PM3， PM6和RM1哈密頓量算法獲得分子軌道，生成熱和分子結構。
• 采用限制性Hartree-Fock（RHF）和非限制性Hartree-Fock （UHF）波函數類型對非周期性體系（大體系）進行總能計算和結構優化。
• 運用EF, BFGS, LBFGS和NLLSQ四種方法進行能量最小化。
• 組態相互作用, 包含單重, 雙重, 三重, 四重, 五重和六重基態和激發態。
• 波譜性質：紅外/拉曼（IR/Raman）以及紫外/可見（UV/Vis）。
• 熱力學性質、力常數、偶極矩、極化率以及過渡態定位。

13 MedeA® Mesoscale—介觀尺度計算模塊

構建體系的beads模型，在介觀尺度上進行粗粒化分子動力學（coarse-grained)模擬或耗散分子動力學(DPD)模擬。

• 減小瞭粒子數，體系的勢能面更加平滑。
• 空間和時間尺度的擴展加速瞭模擬進程，能夠觀察到全原子分子動力學模擬難以觀察到的物理過程，如相分離。
• 提供粗粒化力場（如Martini，SPICA）用於介觀尺度計算。

14 MedeA® HT Bundle—高通量計算模塊

MedeA HT-Bundle共分為兩個部分：MedeA HT-Launchpad和MedeA HT-Descriptors。

此模塊用於高通量計算、性質預測、材料篩選。

• MedeA HT-Launchpad能夠有效地加速高通量計算，由InfoMaticA數據庫和VASP軌跡創建結構列表，儲存高通量計算的結構及結果，整理分類刪除重復結構。
• MedeA HT-Descriptors拓展瞭MedeA HT-Launchpad的功能，用於計算由基礎數據衍生得到的一系列物理性質，如沸點、熔點、臨界溫度/壓力/體積、生成熱、吉佈斯自由能等。

15 MedeA® Morphology

MedeA Morphology模塊可以用於預測晶體的形貌和形態。

• 能夠根據晶體結構、維度和對稱性預測標準的BFDH（Bravais-Friedel-Donnary-Harker）晶體形貌。
• 能夠通過對計算得到的晶體形貌進行交互式調整後，采用BFDH規則去索引或匹配實驗現象。
• 能夠以VASP或LAMMPS模塊計算出來的表面能為輸入數據來預測晶體形貌。
• 能夠與Surface Builder（表面創建工具）無縫結合，直接創建表面結構。
• 能夠可視化查看晶體形貌，並能夠對顏色、標簽和透明度等方面進行調節。

16 MedeA® P3C

MedeA P3C模塊能夠根據重復單元對聚合物性質進行預測。

• 熱力學性質：玻璃化溫度、熱膨脹系數、內聚能、比熱容、密度、摩爾體積、溶度參數、表面張力、范德華體積。
• 電磁學性質：抗磁磁化率、介電函數、摩爾折射率、折射率、體積電阻率。
• 力學性質：脆性斷裂應力、體模量、泊松比、剪切模量、剪切屈服應力、楊氏模量。
• 輸運性質：氣體的滲透性、剪切粘度。

17 MedeA® Forcefield Optimizer（FFO）

MedeA FFO是由Materials Design公司自行開發的力場優化工具。Forcefield Optimizer基於從頭分子動力學的數據，預測力場，以用於分子動力學或蒙特卡洛計算。

• 基於從頭分子動力學計算的結構和軌跡（VASP）確定力場參數，包括能量、受力、應力等；基於遺傳算法和最小二乘算法來優化力場參數。
• 將采用優化好的力場計算出來的能量和力與之前VASP計算出來的結果進行對比分析，給出回歸統計，擬合性質的圖像化顯示以及誤差估計等。
• 最終優化好的力場以MedeA中的力場格式（frc文件）輸出，可直接用於之後的LAMMPS或GIBBS計算。