目录

1 MedeA软件简介

2 MedeA软件架构

3 MedeA InfoMaticA -数据库

4 MedeA运行环境

5 MedeA基本建模工具

5.1 Molecule Builder /New Molecule from SMILES /Polymer Builder

5.2 Crystal /Surface /Supercell Builder

5.3 Find Empty Space /Substitutions Search /Random Substitutions

5.4 Nanoparticles /Nanotube /Nanowrap /Nanowire Builders

6 MedeA软件专业建模工具

6.1 MedeA?Interfaces Builder——界面建模工具

6.2 MedeA?Amorphous Materials Builder——无定型材料建模工具

6.3 MedeA?Thermoset Builder——热固性材料建模工具

6.4 MedeA?Docking——孔结构分子对接工具

7 MedeA? VASP -量子力学计算模块

8 MedeA? VASP 性质预测模块

8.1 MedeA ?Mechanical and Thermal Properties (MT)

8.2 MedeA?Electronics

8.3 MedeA? Phonon

8.4 MedeA? UNiversal CLuster Expansion（UNCLE）

8.5 MedeA?Transition State Search (TSS)

8.6 MedeA? Deformation

9 MedeA? LAMMPS—分子动力学计算模块

9.1 MedeA? LAMMPS

9.2 MedeA?Forcefield

9.3 MedeA MLP（Machine Learning Potential）— 机器学习势函数库

9.4 MedeA MLPG（Machine Learning Potential Generator）—机器学习势函数生成器

10 MedeA? LAMMPS 性质预测模块

10.1 MedeA? Thermal Conductivity

10.2 MedeA? Viscosity

10.3 MedeA? Diffusion

10.4 MedeA? Surface Tension

10.5 MedeA? Deposition

10.6 MedeA? Cohesive Energy Density

11 MedeA? GIBBS—蒙特卡洛计算模块

12 MedeA? MOPAC—半经验量化计算模块

13 MedeA? Mesoscale—介观尺度计算模块

14 MedeA? HT Bundle—高通量计算模块

15 MedeA? Morphology

16 MedeA? P3C

17 MedeA? Forcefield Optimizer（FFO）

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1 MedeA软件简介

MedeA?为工程师和科学家提供材料领域的专业解决方案，涵盖锂、汽车、储能、半导体、电力、航空航天、石化、金属合金、聚合物材料等应用领域。

MedeA?它可以帮助研究人员解释实验中观察到的宏观现象，进一步了解材料的结构和性能，从而指导和设计实验，节省人力、物力和财力。

MedeA?集数据库、建模、计算、性质预测和可视化结果分析于一体。Gaussian、VASP、MOPAC、LAMMPS、MOPAC多尺度计算引擎等，可实现高通量计算和结果分析。

2 MedeA软件架构

3 MedeA InfoMaticA -数据库

数百万条数据包括无机晶体、有机晶体、金属晶体、相图等

COD晶体开放数据库：晶体开放数据库包括无机数据、有机数据、金属有机数据等3数据。

Pearson's Date File：由美国材料信息学会发布的无机晶体数据库约有30300条数据，涵盖ICSD90%以上的数据在数据库中。

NIST Crystal Data（NCD）：有机/无机晶体材料数据库包括合金、金属间化合物、矿物等物质结构。

MSI Phase Diagram数据库：MSI Eureka相图数据库包括晶体结构、相平衡、相图、材料性能、晶体形状、热力学等。

4 MedeA运行环境

MedeA?在Windows在终端用户图形界面上创建各种模型，模拟不同尺度的计算方法，然后通过相关性质预测热力学、动力学、光学、力学、声学、运输性质和反应过程……在此过程中，我们建议您高性能Linux在工作站或服务器上进行计算模拟和性质预测。

5 MedeA基本建模工具

5.1 Molecule Builder /New Molecule from SMILES /Polymer Builder

Molecule Builder它提供了一个直观的用户图形界面，可以创建非周期模型，如分子和簇，实现3D周期模型和非周期模型结构的无缝转换。MedeA还提供简化分子线性输入规范SMILES，只需通过ASCII字符串就能明确描述分子结构，比如多碳链分子。Polymer Builder能够根据重复单元和聚合参数创建聚合物分子链模型。MedeA为您提供了120多种重复单元。同时，通过修改参数可以定义端基或主链的扭转角度，创建出均聚物、共聚物及特殊聚合物。

5.2 Crystal /Surface /Supercell Builder

Crystal Builder可以根据空间群、晶格参数、原子位置等信息来创建各种晶体模型。Surface Builder可以创建符合化学计量配比的晶面，为之后的VASP和LAMMPS计算提供2D/3D周期性板层模型，并可交替改变表面终端，消除表面极性。

Supercell Builder可以模拟出扩展的表面和体相结构，具有三种构建方式：

(1)直接沿三边扩展单胞的整数倍；

(2)根据指定超胞晶格参数来扩展；

(3)自定义三边扩展的矢量方向。

5.3 Find Empty Space /Substitutions Search /Random Substitutions

强大的间隙掺杂、定位取代掺杂以及随机取代掺杂建模工具。

Find Empty Space间隙掺杂工具可以搜索到结构中合理的空隙，并按照空隙的体积、配位、对称性等信息进行分类，从而方便将原子插入空隙中心，构造掺杂模型。Substitutions Search定位取代掺杂/缺陷工具可以根据掺杂原子/空穴的个数和之间的距离，搜索所有掺杂/缺陷结构模型并给出原子个数和对称性等结构信息。

Random Substitutions随机取代工具可以随机选取晶体中任意个数的某种原子并将其替代成其他原子或空穴。通过该功能可以轻松构造出一定空穴浓度的固体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了纳米团簇，纳米管等模型的创建功能，通过形状、键长、键角、悬挂键、对称性等建模参数的设置，可以轻松创建各种不同元素的团簇，包裹，管状，线状的周期/非周期结构。

Nanoparticles能够创建团簇及基础壳层结构。

Nanotube能够创建出各种纳米管结构，比如碳纳米管、硼氮纳米管。

Nanowrap能够创建出以两端表面为内，外表层的包裹结构。

Nanowire能够创建纳米线结构。

6 MedeA软件专业建模工具

6.1 MedeA®Interfaces Builder——界面建模工具

MedeA Interfaces Builder能够在两种晶体表面之间自动搜索并构建界面层。构建的界面模型包含扭转晶界、共格晶界和半共格晶界等周期性模型 , 可直接用于第一性原理MedeA VASP或分子动力学MedeA LAMMPS计算。当然，您也可以在构建的界面模型中适当引入杂质，缺陷或间隙物种，创建较为特殊的界面材料。

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

MedeA Amorphous Materials Builder模块支持构建体相及层状结构，允许在既有的结构中加入无定型相以构建多层结构（液-液、液-固、固-固界面模型等），并能创建多种无定型凝聚态，包括本体聚合物、共混聚合物、聚合物溶液、电解质体系、小分子液体、液体混合物、混合氧化物、无机玻璃体与熔体、向列液晶体以及未固化的树脂/交联剂前驱体。

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

热固性材料的主成分为高度交联热固性聚合物，广泛应用于航空航天、汽车、电子光学设备的制造以及牙体修复、建筑设计材料等领域。MedeA Thermoset Builder工具在创建交联材料的过程中，将根据材料网状结构和凝胶点的演变、粘结应力、缺陷位点等参数对材料特性严格筛选，并根据实验中测定的交联密度创建出无应变分子模型。采用MedeA Thermoset Builder工具可以创建出多种热固性交联模型，包括环氧树脂、聚氨酯、双马来酰亚胺、聚酰亚胺、聚酯、热固性丙烯酸、尿素、苯酚、三聚氰胺、甲醛塑料等材料。

6.4 MedeA®Docking——孔结构分子对接工具

MedeA Docking利用著名的Metropolis蒙特卡洛算法， 快速估计出主体与客体间的范德华作用，自动创建、修改和细化主-客体的结构，确定稳态能量，明确客体吸附物的位置与方向，从而评估并筛选出稳定的体系构象。

MedeA Docking还能够组合多种客体吸附物与主体结构，得到多分子在孔结构中的对接模型。MedeA Docking创建的模型能够直接应用于分子动力学MedeA LAMMPS和第一性原理MedeA VASP的计算。

7 MedeA® VASP —量子力学计算模块

VASP是维也纳大学Hafner小组开发的第一性原理量子力学计算程序。VASP程序包能够基于密度泛函理论（DFT）、缀加平面波赝势（PAW）和平面波基组进行几何及电子结构优化计算。目前，VASP广泛应用于体相、表面、界面、团簇和分子等各种体系的研究，可以实现大规模的高效率并行计算。VASP采用了周期性边界条件（或超原胞模型）处理原子、分子、团簇、纳米线（或纳米管）、薄膜、晶体、准晶和无定性材料及表面体系。

MedeA®VASP将VASP程序包完全整合到MedeA软件中，不仅简化了VASP的计算参数设置，而且可以直接进行各种结果分析，得到材料的多种理化性质。

8 MedeA® VASP 性质预测模块

8.1 MedeA ®Mechanical and Thermal Properties (MT)

MedeA MT模块可以用于计算单晶、多晶体系的力学和热力学性质。

• 能够自动确定最少的弹性系数矩阵元个数。
• 能够计算力学性质，如弹性常数矩阵，Voigt、Reuss、Hill三种模型下的
• 杨氏模量、剪切模量、体模量、硬度及泊松比等力学性质。
• 能够获得相关的热力学性质，如德拜温度、声速、0-3000K下的热容、
• 零点能、振动熵、亥姆霍兹自由能等。
• 能够呈现以上热力学性质对温度的函数图。
• 能够基于VASP、LAMMPS、MOPAC计算各种体系的力学和热力学性质。

8.2 MedeA®Electronics

MedeA Electronics模块可计算固体的电子性质，包括费米能级附近较窄范围内的电子态，这些电子态控制了材料对外电场或温度（可以产生电流或热流）的响应。

• 能够按照要求的k-points，预测选定能带的电子和空穴的有效质量。
• 能够预测出关键的电导性质，比如电导率、霍尔系数、电子比热容等。
• 能够预测出关键的热电性质，比如塞贝克系数、热导中的电子贡献。
• 能够呈现出以上电子输运性质对温度、化学势及载流子密度的曲线图。
• 能够呈现Fermi面的三维效果图以及掺杂效应对Fermi面的影响。

8.3 MedeA® Phonon

MedeA Phonon模块根据有限位移方法，计算原胞中的原子受力，构造力常数矩阵，计算分子、团簇、晶体、界面等体系中与温度相关的振动性质。

• 能够计算出声子色散谱、声子态密度。
• 能够计算出与温度相关的振动热容、焓、熵、零点能、自由能等热力学性质
• （0-3000k温度范围内），并呈现出热力学性质对温度的函数图。
• 能够在布里渊区中心点对振动模式进行对称性分析，预测IR/Raman光谱。
• 能够采用流程图进行批量的Phonon计算。
• 能够基于VASP、LAMMPS及MOPAC对相应体系进行声子的计算。

8.4 MedeA® UNiversal CLuster Expansion（UNCLE）

MedeA UNCLE模块能够采用遗传算法或压缩传感方法高效处理上百个输入结构，延伸和扩展已有的集团，适用于体相空穴分布、多组分体系稳定相的结构及介观和微观尺度材料的稳定性等研究。

• 能够基于VASP模块采用通用集团展开式预测介观和微观尺度材料稳定性，对体系有序或无序现象做出精确预测，找到全局最优结构。
• 能够获得材料相稳定性与温度和浓度的函数关系，体系有序-无序的转变温度。
• 能够计算出溶解度、混合度、随机混合能及空穴浓度等参数。

8.5 MedeA®Transition State Search (TSS)

MedeA TSS模块能够确定化学反应或扩散过程中过渡态的结构和能垒大小，同时提供一套可自定义的过渡态搜索流程，提高过渡态搜索的成功率。

• 采用高效的Nudged Elastic Band（NEB）、 Climbing Image（CI）、Dimer、DNEB方法进行过渡态搜索；采用BFGS2优化方法对所有image结构进行优化；采用RMM-DIIS minimizer方法对已确认过渡态结构进行优化,获得最终过渡态结构及能量。
• 提供细化过渡态的方法（refinement），在初步确定的过渡态image附近再次采用CI-NEB进行过渡态搜索，缩小搜索范围细化过渡态。
• 自主组合NEB、CI-NEB、DNEB、refinement、Dimer、RMM-DIISminimizer多种优化方法，组建自定义过渡态搜索流程。
• 能够给出过渡态结构及反应或扩散能垒；自定义image绘出能量曲线图（energy profile）；查看已绘制energy profile对应的动画轨迹。
• 结合Phonon模块可预测过渡态在Gamma点处是否存在虚频。

8.6 MedeA® Deformation

MedeA Deformation模块用于计算材料在弹性区域之外的塑性变形，计算材料屈服强度、断裂强度、剪切强度等力学性质。

• 能够自动确定最少的弹性系数矩阵元个数。
• 能够自动计算超出弹性范围的力学性质。
• 能够自动分析应力-应变曲线，计算材料杨氏模量、屈服强度、极限强度、断裂强度和剪切强度。
• 能够基于VASP或LAMMPS计算各种体系弹性之外的的力学性质。

9 MedeA® LAMMPS—分子动力学计算模块

9.1 MedeA® LAMMPS

MedeA免费为用户提供了LAMMPS模块接口，力场由MedeA Forcefield模块直接调用，力场参数自动分配到原子，通过流程图Flowchart界面完成后续的多步平衡模拟。

流程图包含多个组件，包括分子动力学模拟的基本操作组件，如体系初始化、能量最小化、初始化速度生成、NVT平衡模拟、NPT平衡模拟以及NVE平衡模拟等等，流程图可保存、修改和分享，以便和其他科研工作者分享计算过程和参数设置。

9.2 MedeA®Forcefield

力场是分子动力学模拟的关键，其选择影响结果的准确性 。MedeA Forcefield 为您免费提供了大量的先进力场数据库，同时 , 力场文件可编辑，力场参数可添加或修改，外部力场文件可导入。

• 有机分子、聚合物力场：AUA，compass，compass+， small_molecules+solids ，oplsaa，
• oplsaa_extended，oplsaa+，pcff，pcff+，trappe+， AUA+
• 半导体力场：Stillinger-Weber，Tersoff，ZnCdTeSeHgS_Zhou_2013_Tersoff，SiO2-Si_Munetoh_2007_Tersoff ，REBO
• 无机化合物力场：bks， comb3，cvff_aug， inorganic， clayff-dioctahedral，clayff-triotahedral，clayff, Si-O_JCP2016-comb3，AlO_eam_coul，LiS_morse_coul，TaO_eam_coul
• 适用于金属体系的嵌入原子势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 化学反应力场：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）— 机器学习势函数库

提供已发表的SNAP算法机器学习合金势函数，将量子力学的高精度扩展到了分子动力学尺度。

• 包含18个开箱即用的SNAP算法机器学习合金势函数（适用体系：Cu，Ge，Li，Mo，Ni，Si，Ta，W，InP，Li3N，NbMoTaW，NiMo，WBe），能够处理复杂的成断键原子环境。
• 支持调用通过MLPG自行构建的机器学习势函数，支持与其他分子动力学模块结合使用。

9.4 MedeA MLPG（Machine Learning Potential Generator）— 机器学习势函数生成器

采用多种机器学习算法对VASP计算生成的大量包含结构与能量的数据集进行训练，拟合生成第一性原理高精度势函数 (力场)。

• 能够自动根据VASP数据集生成机器学习描述符，根据训练集数据进行算法超参数优化，训练完成后可自动输出势函数文件与质量评估分析报表。
• 支持Ziegler-Biersack-Littmark (ZBL) 短程相互作用势，可模拟离子植入和辐照损伤。
• 支持先进的Spectral Neighbor Analysis Potential (SNAP)和神经网络势算法。

10 MedeA® LAMMPS 性质预测模块

10.1 MedeA® Thermal Conductivity

预测体相和纳米结构体系的热导率，以及界面效应（Kapitza resistance）、杂质、同位素纯度对热导率的影响。

• 反向非平衡分子动力学方法（RNEMD）可用于所有体系的热导率计算。
• 平衡分子动力学（EMD）Green-Kubo方法，适用于均质体系及原子电荷较小的体系，适当大小的初始模型便可以得到准确的结果。

10.2 MedeA® Viscosity

预测纯液体以及液体混合物在不同温度和压力下的粘度。

• 平衡分子动力学（EMD）采用Green-Kubo方法，适用于粘度中等的体系。
• 反向非平衡分子动力学方法（RNEMD），适用于粘度较大的体系。

10.3 MedeA® Diffusion

预测物种的扩散性质，给出体系中指定成分的扩散系数。

• 计算原子的均方位移(MSD)，拟合均方位移和时间的关系得到扩散系数。
• 通过log(MSD)-log(t)图显示并确认扩散动力学的存在，自动作图，可视化分析计算结果。

10.4 MedeA® Surface Tension

预测液体表面或界面处的表面张力。

• 支持多层模型中表面张力的计算，研究界面附着特性。
• 可用于计算溶液以及熔体的表面张力。

10.5 MedeA® Deposition

模拟粒子在基体表面的沉积、生长、氧化及腐蚀等过程，分析粒子与基体表面的相互作用。

• 能够自定义沉积粒子的速度、能量、入射角度以及频率等因素。
• 给出沉积粒子分布图，分析渗透深度、反应范围、生成厚度等。

10.6 MedeA® Cohesive Energy Density

根据物质间的作用力参数，算出单位体积的内聚能，并且评估出分子间作用力的大小以及分子所含基团的极性大小，研究不同组分间的相容性。

• 能够准确计算无定型凝聚相(如高分子)的内聚能密度。

11 MedeA® GIBBS—蒙特卡洛计算模块

• 基于分子力学及蒙特卡洛算法（Monte Carlo）根据分子形状、柔性、极性计算热力学性质。
• 对于单相气体和液体分子体系，能够计算密度、摩尔体积、结合能、化学势、热膨胀系数、蒸汽压、汽化焓等相性质。
• 对于两相或多相气液混合相，能够计算相组成、相密度、结合能等。
• 对于孔结构吸附分子的体系，能够计算各物种的吸附量、主客体能量、积分吸附热等。

12 MedeA® MOPAC—半经验量化计算模块

• 采用AM1，MNDO，MNDOD，PM3， PM6和RM1哈密顿量算法获得分子轨道，生成热和分子结构。
• 采用限制性Hartree-Fock（RHF）和非限制性Hartree-Fock （UHF）波函数类型对非周期性体系（大体系）进行总能计算和结构优化。
• 运用EF, BFGS, LBFGS和NLLSQ四种方法进行能量最小化。
• 组态相互作用, 包含单重, 双重, 三重, 四重, 五重和六重基态和激发态。
• 波谱性质：红外/拉曼（IR/Raman）以及紫外/可见（UV/Vis）。
• 热力学性质、力常数、偶极矩、极化率以及过渡态定位。

13 MedeA® Mesoscale—介观尺度计算模块

构建体系的beads模型，在介观尺度上进行粗粒化分子动力学（coarse-grained)模拟或耗散分子动力学(DPD)模拟。

• 减小了粒子数，体系的势能面更加平滑。
• 空间和时间尺度的扩展加速了模拟进程，能够观察到全原子分子动力学模拟难以观察到的物理过程，如相分离。
• 提供粗粒化力场（如Martini，SPICA）用于介观尺度计算。

14 MedeA® HT Bundle—高通量计算模块

MedeA HT-Bundle共分为两个部分：MedeA HT-Launchpad和MedeA HT-Descriptors。

此模块用于高通量计算、性质预测、材料筛选。

• MedeA HT-Launchpad能够有效地加速高通量计算，由InfoMaticA数据库和VASP轨迹创建结构列表，储存高通量计算的结构及结果，整理分类删除重复结构。
• MedeA HT-Descriptors拓展了MedeA HT-Launchpad的功能，用于计算由基础数据衍生得到的一系列物理性质，如沸点、熔点、临界温度/压力/体积、生成热、吉布斯自由能等。

15 MedeA® Morphology

MedeA Morphology模块可以用于预测晶体的形貌和形态。

• 能够根据晶体结构、维度和对称性预测标准的BFDH（Bravais-Friedel-Donnary-Harker）晶体形貌。
• 能够通过对计算得到的晶体形貌进行交互式调整后，采用BFDH规则去索引或匹配实验现象。
• 能够以VASP或LAMMPS模块计算出来的表面能为输入数据来预测晶体形貌。
• 能够与Surface Builder（表面创建工具）无缝结合，直接创建表面结构。
• 能够可视化查看晶体形貌，并能够对颜色、标签和透明度等方面进行调节。

16 MedeA® P3C

MedeA P3C模块能够根据重复单元对聚合物性质进行预测。

• 热力学性质：玻璃化温度、热膨胀系数、内聚能、比热容、密度、摩尔体积、溶度参数、表面张力、范德华体积。
• 电磁学性质：抗磁磁化率、介电函数、摩尔折射率、折射率、体积电阻率。
• 力学性质：脆性断裂应力、体模量、泊松比、剪切模量、剪切屈服应力、杨氏模量。
• 输运性质：气体的渗透性、剪切粘度。

17 MedeA® Forcefield Optimizer（FFO）

MedeA FFO是由Materials Design公司自行开发的力场优化工具。Forcefield Optimizer基于从头分子动力学的数据，预测力场，以用于分子动力学或蒙特卡洛计算。

• 基于从头分子动力学计算的结构和轨迹（VASP）确定力场参数，包括能量、受力、应力等；基于遗传算法和最小二乘算法来优化力场参数。
• 将采用优化好的力场计算出来的能量和力与之前VASP计算出来的结果进行对比分析，给出回归统计，拟合性质的图像化显示以及误差估计等。
• 最终优化好的力场以MedeA中的力场格式（frc文件）输出，可直接用于之后的LAMMPS或GIBBS计算。