BCL是理解和预测染料及其在太阳能电池中效率的一个理论框架，最近的一篇论文全面介绍了这种方法：它基于一组方程，使用TDDFT获得染料敏化太阳能电池效率的整体效率指数（Global Efficiency Index，GEI）；GEI通过三个因子乘积得到：可用注入能量（F1）、注入电荷量（F2）和再生效率（F3）。迄今为止获得的结果表明，与实验光转换效率（PCE）有良好的相关性。此外，该方法还提供了理论工具，使研究者能够理解电池的运行情况，以及优化电池的关键。 要点： 与实验结果匹配的很好所有计算使用AMS软件ADF模块完成，使用OPBE泛函、SAOP模型势提出了在锂太阳能电池领域的应用和改进颜料的开发运行BCL计算简明手册 参考文献： M. Barrera, I. Crivelli, B. Loed, The BCL Method for DSSC: Basis and Applications, Appl. Sci. 12, 2358 (2022)
随着石油和天然气价格的波动以及新冠病毒在全世界爆发，将天然气转化为具有更高经济和战略重要性的增值化学品的需求和研究兴趣越来越强烈。此外，对氢燃料的需求不断增长，以及全球芳香族化合物和烯烃的短缺，都是甲烷转化的额外动力，甲烷的非氧化转化生产清洁氢燃料，被认为“未来燃料”。 最近Badran等人，利用AMS软件BAND模块，使用DFT计算甲烷在MoO3(010)表面两种不同超胞上的吸附，研究了甲烷在氧化钼（MoO3）表面的催化脱氢。研究发现，对于CH4的吸附，在Mo和O网格构成的光滑表面，比悬垂O原子构成的表面更有利，这与过去的认知有所不同。 甲烷在MoO3(010)表面的吸附位置 甲烷在MoO3上脱氢的反应机理 研究亮点： 在新的MoO3(010)超胞上吸附甲烷，用于甲烷转化研究非氧化条件下，甲烷在MoO3表面分解的反应机理该反应主要导致生成 · CH3、H2和乙烯第一次CH3-H键断裂的活化能低至66.4 kJ/mol 参考文献： I. Badran, N. Sahar, R. Amjad, M.S. Nashaat, N.Nassar, Density Functional Theory Study on the Catalytic Dehydrogenation of Methane on MoO3 (010) Surface, Comput. Theor. Chem. 1211: 113689 (2022)
可持续复合材料正变得越来越受欢迎，尤其是从生物物质中开发新型可降解生物复合材料，是满足全球对可持续材料日益增长的需求的一条非常有希望的道路。Roumeli等人提出了一种从培养的植物细胞中制备自粘生物复合材料的新方法，将培养细胞进行冷压缩成型，以创建分层的生物复合材料，其性能（弹性模量和强度）与商品塑料相当，同时在土壤中100%可生物降解。 为了研究纤维联锁和分子间聚合物链相互作用在细胞粘附中的作用，作者使用AMS软件反应分子动力学模块ReaxFF中的CHON2017_weak_bb力场进行模拟。细胞壁采用纤维素、半纤维素、果胶和酚混合物作为模型体系，比例由化学分析确定；之后对模型体系进行压缩，并达到平衡。这项研究表明，邻近细胞壁外层的聚合物链在压缩时相互作用，并在彼此的结构中扩散，从而产生分子联锁。进一步在拉伸载荷下进行模拟测试时，发现这些生物复合材料中的纤维联锁，又出现了链展开（无缠结）和级联氢键断裂和重组。 a)拉伸测试时的能量的变化： 1，Esystem，2，Ebond，3，EH−bond，4，and Etors；b)MD模拟在拉伸载荷下样品变形的不同时间点的快照 参考文献：E. Roumeli, R. Hendrickx, L. Bonanomi, A. Vashisth, K. Rinaldi, C. Daraio, Biological matrix composites from cultured plant cells, Proceedings of the National Academy of Sciences 119.15 (2022)
NBO 集成NBO6，并嵌于ADF模块中，协助ADF的计算与分析，详细参考： 计算QTAIM电荷、键径、临界点、NBO分析、NPA电荷、NLMO/NPA键级 使用NBO、NLMO分析NMR化学位移、EFG贡献来源 Apple&P 与普通力场的分子模拟有所不同，Apple&P是一个极化力场算法，可用于带电体系，包括聚合物、电解质、SEI成分、离子液体和高能材料的的分子动力学模拟。 目前胺、酰胺和酰亚胺还待完善，但锂盐、电池电解液和离子液体这种体系，已经可以很好的进行模拟。 案例参考：离子体系的分子动力学模拟 对原子运动轨迹分析，可以得到扩散系数、均方位移、径向分布函数、粘度、热导率、温度沿轴向的分布曲线等性质。并支持分子动力学模拟的灵活设置，例如温度、压强的变化控制，不同区域设置不同温度。 Zacros & Zacros-post Zacros是一个用于模拟催化表面分子现象的动力学蒙特卡罗软件包。AMS从PLAMS扩展出工具集pyZacros（Python Library for Automating Zacros Simulation），旨在为Zacros提供强大、灵活且易于扩展的Python接口。pyZacros从PLAMS继承了管理输入文件准备、作业执行、文件管理和输出文件处理的稳健方式。除此之外，它还提供了对结果进行后处理和构建非常高级的数据工作流的可能性。。 中文教程：https://v.fermitech.com.cn/wiki/doku.php?id=adf:zacros
概述 低温大磁熵变材料在太空科学领域和氢气液化的应用中具有重要的应用价值，因此高效低温磁制冷材料及其相关问题研究，也就成为当前国际上凝聚态物理领域的热点课题之一。稀土Eu基钙钛矿氧化物EuTiO3因具有大磁矩和低磁相变温度，是一类性能优良的低温磁制冷材料。但是，EuTiO3基态是反铁磁，如果能够选择的合金元素掺杂改变其磁基态，则可在低驱动场下实现大磁熵效应。中科院理化所的沈俊教授课题组和南京大学王敦辉教授、陆海鸣副教授课题组合作，结合第一性原理和实验研究了在Ti位同时掺杂Nb和Al对EuTiO3体系电子结构和低场磁热性能的影响。该研究成果为优选高性能低温稀土磁制冷材料提供了新思路。 图1 三种不同Nb和Al掺杂量的Eu(Ti,Nb,Al)O3的总态密度和分波态密度图 研究亮点 通过第一性原理计算，作者发现Nb和Al的共掺使得晶格常数增加且反铁磁的EuTiO3转变为铁磁态。从图1所示的Eu(Ti,Nb,Al)O3体系的总态密度（TDOS）和分波态密度（PDOS）图可以看出，Nb和Al的掺杂引起的自旋极化导致自旋向上和自旋向下不完全对称，巡游的Ti的3d和Nb的4d能级横跨费米能级，发生了绝缘体—金属转变。从PDOS图可以看到，巡游的Ti的3d电子、Nb的4d电子和Al的3p电子都和局域的Eu的4f电子发生交互作用，产生RKKY作用。Nb和Al的掺杂引发的反铁磁-铁磁相变可用四阶扰动理论（fourth-order perturbation theory）来解释。磁相互作用由两个独立的部分组成：RKKY作用和Anderson超交换（前者具有金属特性而后者具有半导体特性）。EuTiO3的态密度图中费米能级处的态密度为0，没有RKKY作用，此时，通过无磁的Ti4+离子的Anderson超交换在EuTiO3中占主导地位，体系为反铁磁。当Nb和Al置换掺杂进来后，自旋极化和交换分裂出现并增加，同时费米能级也移向高能量处，使得Anderson超交换耦合减弱而RKKY作用增强并占主导地位，因此体系呈铁磁态。 图2 不同成分化合物2K时的M(H)曲线以及与其他化合物等温熵变和有效制冷能力的比较 作者发现EuTiO3的磁化强度在磁场低于1 T时线性增加并在2 T时饱和（左图），而三种不同成分的Eu(Ti,Nb,Al)O3在1 T时均达到饱和且饱和磁化强度均高于EuTiO3，这说明Nb和Al的掺杂不仅可以显著降低临界场还可以提高其低场磁化强度。右图是1 T磁场下不同体系等温熵变和有效制冷能力的比较。三种不同成分的Eu(Ti,Nb,Al)O3的等温熵变约为-15.1 J/kg·K，比EuTiO3高了近40%。此外，EuTi0.8125Nb0.125Al0.0625O3和EuTi0.75Nb0.125Al0.125O3的有效制冷能力分别达到了88.1和86.0 J/kg，不仅比EuTiO3高了近315%，也都比其他化合物体系的有效制冷能力高。 总结 本文利用AMS软件的BAND模块，进行了通过不同价态阳离子共掺杂改变EuTiO3电子结构和磁基态的研究。研究发现，Nb和Al共掺杂不仅诱发了EuTiO3的绝缘体—金属转变，还引发了反铁磁-铁磁相变。实验结果还表明，共掺杂样品在1T低磁场下的磁熵变都达到了15 J/kg·K，是EuTiO3的1.4倍；特别是EuTi0.8125Nb0.125Al0.0625O3的有效制冷能力达到了88 J/kg，是EuTiO3的3倍。该工作明确了元素掺杂的EuTiO3体系中磁交换作用机理，为液氦温区磁制冷提供了有竞争力的候选材料。 参考文献 Huicai Xie, Wenxia Su, Haiming Lu, Zhaojun Mo, Dunhui Wang, Hao Sun, Lu Tian, Xinqiang Gao, Zhenxing Li, Jun Shen, Enhanced low-field magnetocaloric effect in Nb and Al co-substituted EuTiO3 compounds, J. Mater. Sci. Technol., 118, 128, […]
AMS包含全面、完善的计算模拟方法，在原子水平上对分子与团簇、聚合物、低维材料、框架结构材料、多孔材料、宏观流体提供丰富的性质模拟、预测工具。初学者友好的完善图形化操作，可以协助研究者顺利完成建模、计算、作业管理、结果分析、图谱展示。图形化操作界面，支持最新版本的Win、Linux、Mac系统 AMS主要包括分子与团簇第一性原理计算模块ADF，周期结构材料的第一性原理计算模块BAND，反应力场模块ReaxFF，溶解、萃取、蒸馏、共晶等流体热力学模拟模块COSMO-RS（通常需要ADF模块的协助，用于生成分子的coskf文件），工作流与工具集AdvanceWF模块，机器学习势与力场模块ForceField，半经验方法Mopac与DFTB，其中DFTB不仅包含原始dftb.org参数，还包括大量自建参数，覆盖了元素周期表大部分元素。 AMS2022在功能方面的改进 AMS整体算法 AMS提供多种算法驱动，例如分子动力学、巨正则系综蒙特卡洛、Force Bias蒙特卡洛、多尺度模拟、势能面扫描、振动分析等，这些算法，能够灵活调用不同计算模块。 PES Exploration：自动化反应通路搜索算法，使用户能够调用任何计算模块自动探索过渡态和局部能量最小值：过程搜索：找到局域能量最小点，以及它们之间的过渡态搜索初始结构附近的过渡状态Basin hopping寻找局域能量最小值在不同理论水平上，对过渡态和能量最小值点进行精细化计算团簇或表面上的结合位点的确定、可视化案例（使用ReaxFF演示）请点击PES Scan：扫描晶格尺寸、碎片态表面沉积分子动力模拟：用于ALD、CVD、刻蚀模拟，支持气体组分比例定制分子动力学计算均方位移、粘度轨迹回放：对其他轨迹文件，使用指定计算引擎重复其轨迹，并计算相关性质，通常用于比较势能面差异弹性墙壁（纳米反应器）：将反应物束缚于纳米球壁内，常在ReaxFF外加电场时使用摩擦学特性（剪切应力）：目前只支持命令行模式 ForceField模块 包含Machine Learning Potentials与经典力场GFN-FF、UFF、UFF4MOF、UFF4MOF-II、GAFF、Amber98、Tripos5.2 AdvanceWF模块 ChemTraYzer 2.0：由于ReaxFF自带ChemTraYzer仅适用于小分子化学反应的分析，SCM自行开发了ChemTraYzer 2.0，可用于小分子、大分子、聚合物、非均相等各种类型化学的分析，并能够提供基元反应方程式、反应级数、反应速率常数（采用实验测量单位），并能够对每个反应相关原子演化过程单独显示，以便分析反应轨迹。（详细使用效果请点击）ParAMS：用于训练DFTB参数、ReaxFF力场的图形化工具：将AMS中的计算结果添加到训练集中设定训练集每个样本的权重因子导入样本力场设定需要优化的参数使用CMA-ES优化力场交叉验证生成力场Microkinetics：在从试剂到最终产品的转化过程中，通常涉及许多中间基本反应步骤。这些基本反应步骤具有各自不同的能垒和反应速率常数，它们的整合决定了整个系统的反应行为。通过微观动力学建模，对这样的系统进行研究，可以得到整体反应速率，以及限制整体反应速率的关键因素。包含如下功能：计算温度范围内的反应速率计算不同产物的选择性确定反应的反应级数和表观活化能计算所有反应步骤的速率控制程度处理均相和异相反应应用充分混合或活塞流反应器模拟程序升温脱附模拟同位素的开关ACE Reaction：自动生成反应网络（测试中）ReactMap：确定化学反应中反应物和产物之间的最佳原子映射OLED模拟工具：OLED器件的多尺度建模、气相沉积、计算薄膜中所有分子的电离势、电子亲和力和偶极矩等特性的分布、将数据传输到 Simbeyond 的Bumblebee代码，用于涉及您的材料的 OLED 设备模拟 ADF模块 极化力场：QM/FQ Quantum Mechanics/Fluctuating Charges非弛豫偶极矩激发态激发态间跃迁偶极矩快速激发光谱计算方法POLTDDFT：扩大到绝大多数元素仅特征值自洽 GW (evGW)、G3W2配体场密度泛函（LFDFT）新功能：ESR g-张量双峰，XMCDMP2考虑自旋轨道耦合 COSMO-RS模块 改进了对多物种流体热力学的处理，例如不同的质子化和解离状态、聚集（使用溶剂）、构象异构体COSMO-RS-PDHS参数：增加了计算带电体系所需的长程静电项（如下图所示） BAND模块 -D4色散修正泛函虚晶近似：允许某些原子位以一定比例掺杂费米面的图形化显示自旋轨道耦合DOS电子能量密度函数周期结构材料的结合能XPS APPLE&P 极化力场模拟，可用于带电体系，如电解质（例如电池中的电荷迁移率）、离子液体类体系的分子动力学模拟，案例参考：离子体系的分子动力学模拟 Zacros & Zacros-post模块 动力学蒙特卡洛模拟 Quantum ESPRESSO模块 更新到7.0版 免费试用 http://www.scm.com/free-trial
概述 Advanced Workflows & Tools包含很多流程化研究的高级工具，包括对反应分子动力学轨迹中的基元反应进行分析的ChemTrayzer2.0，以及拟合DFTB参数与ReaxFF力场的ParAMS工具，微观动力学、OLED脚本工具与数据库，以及根据反应物结构自动探索反应网络的工具ACE Reaction、使用分子动力学采样训练机器学习势的MD Active Learning工具。 ChemTraYzer 2.0：分析分子动力学中的各类体系基元反应分析 功能简介：基元反应分析、MD中物种有效性 适用范围：不仅适用于小分子体系，大分子乃至聚合物、固体表面等，均能正确分析，而且大分子内部断键、成键也能检测到 支持用户自由指定时间范围进行分析，超大轨迹文件的分析处理更加灵活 分析控制参数更加灵活有效 以SMILES格式列出反应方程式、反应的级数 支持用户导出反应方程式列表的*.csv表格文件 支持：基于ReaxFF、DFTB(Gamma Only)的分子动力学轨迹，以及基于BAND的DFT分子动力学（AIMD）分子动力学轨迹 结果分析 反应速率常数（统计平均值，最大值，最小值），单位为cm3/(mol∗s)、cm2/(mol2∗s)等，与实验单位一致，不需要用户复杂换算产物的占比、描述一个物种表现得像反应物或产物的程度的Mann-Kendall值 单独显示某个基元反应相关原子反应过程动画 相关反应次数、键变化次数柱状图 用户指定基元反应相关的几种分子的数量变化曲线 分析某个物种“像反应物”、“像产物”的程度 详细介绍：https://www.fermitech.com.cn/ams/reaxff2022-chemtrayzer-2/ 案例教程请点击链接 Microkinetics：微观动力学模拟 在从试剂到最终产品的转化过程中，通常涉及许多较小的中间步骤。这些基本反应步骤具有各自不同的能垒和反应速率常数，它们的整合决定了整个系统的反应行为。通过微观动力学建模，对这样的系统进行研究，可以得到整体反应速率，以及限制整体反应速率的关键因素。包含如下功能： 计算温度范围内的反应速率 计算不同产物的选择性 确定反应的反应级数和表观活化能 计算所有反应步骤的速率控制程度 处理均相和异相反应 应用充分混合或活塞流反应器 模拟程序升温脱附 模拟同位素开关 教程请点击链接 ParAMS：DFTB参数、ReaxFF力场、机器学习势拟合优化工具 ParAMS是用于DFTB参数拟合、ReaxFF力场优化的一个集成化的成熟的图形化操作工具，是一个包括如下功能： 将AMS中的计算结果添加到训练集中 设定训练集每个样本的权重因子 导入样本力场、设定需要优化的参数 使用CMA-ES优化力场 交叉验证生成力场 注意，一般需要搭配ADF模块或BAND&Quantum Espresso模块生成训练集。图文与视频教程点击链接 MD Active Learning 使用AIMD等通过简单的参数设置，从头训练或微调机器学习势如M3GNet、NequIP。 图文教程 视频教程 其他 ACE Reaction Network：根据反应物分子结构，预测最佳反应通道 […]
概述 过渡金属是元素周期表中最广泛的存在，在化学、电子、稀土、制造、高能物理等各个领域都有他们的身影。过渡元素中d、f电子的复杂性，导致过渡金属体系的电子态也与主族元素有截然不同的特点。能级简并，让基态电子占据，甚至分子结构的几何对称性的确定，也变得较为复杂，更不用说激发态、发光的特性。 过渡金属与重元素的计算精确性，变得尤为重要，相对论效应扮演着非常重要的角色。相对论对计算的影响，一般主要体现在两个方面： 对能级、电子云分布的影响 自旋轨道耦合 对较轻的元素例如C、H、O、N等而言，相对论对能级的影响基本上可以忽略不计，因此在这类元素体系的计算中，相对论效应往往呗忽略。但对重元素如汞、金，甚至超重元素铀等，相对论效应会显著影响能级分布、键长。 自旋轨道耦合，对能量的影响非常微弱，但在发光材料机理方面却起着决定性的作用。倘若没有自旋轨道耦合，磷光这种现象根本不会存在。在相对论理论方面，AMS集成了应用最为广泛的ZORA方法，以及最先进的X2C方法。 应用 配合物成键分析 配合物结构精确计算 键能分解分析 通过化学价自然轨道分析，了解共价键形成过程中，金属元素各轨道如何参与成键 金属配体电荷转移 金属d、f轨道在配合物中的分裂情况 光吸收与发光 紫外可见吸收谱 单重态、三重态激发态结构计算 系间窜跃 Franck-Condon因子、Huang-Rhys因子 振动分辨的磷光发射谱 X射线发射谱（XES） 内层电子的激发 周期结构材料的结合能 X射线近边吸收光谱（XANES）、扩展X射线吸收精细结构谱（EXAFS） 案例 配合物/氢键/范德华作用/化学键分析/分子间相互作用 重元素/团簇
概述 在现代化学研究中，通过计算机辅助模拟，探索材料性能、化学键的本质、化学反应机理，以及各种谱学的理论预测，都取得了巨大的进步。在现代化的化学研究中，计算化学已经成为不可缺少、强有力的辅助工具。 AMS是一个跨尺度、多尺度的计算平台，系统性地整合了从宏观流体的热力学性质预测、介观尺度的分子动力学，到微观原子分子尺度的半经验量子化学与第一性原理计算方法。 应用 电子与电荷分析 原子电荷 电荷分解分析 静电势、RGD函数、电子密度、ELF、芳香性指数、多中心指数MCI 极化率与介电常数、偶极矩 NBO与AIM分析、键径、临界点析 化学键分析 键级是一个人为定义的概念，存在多种定义键级的方法，基于各种定义，通过第一性原理计算，准确计算原子之间的键级 键能 键能的能量分解分析，分析分子间、内部共价键、（多孔材料、表面、纳米管）吸附键能构成 金属d、f轨道在配合物中的分裂情况 通过化学价自然轨道分析，了解共价键、配位键、氢键等形成过程中，轨道的参与、电荷的转移情况 通过电子密度Laplacian与临界点，分析化学键的类别 非共价作用分析 化学反应 通过福井函数、简缩福井函数，预测原子的反应活性 精确计算过渡态、反应能垒 电化学氧化还原电位计算 使用分子动力学探索未知反应，分析基元反应、反应速率 巨正则系综蒙特卡洛、动力学蒙特卡洛模拟化学反应 化学反应微观动力学研究 催化反应模拟 溶剂化效应 谱学 红外光谱、拉曼光谱、表面增强拉曼光谱 紫外可见吸收谱、荧光、磷光辐射跃迁寿命、磷光发射谱、荧光发射谱 X射线吸收谱 NMR、NICS、VCD、MCD、ESR、EPR 非线性光学 案例 https://v.fermitech.com.cn/wiki/doku.php?id=adf:wavefunction
概述 聚合物由于其形态有别于一般小分子、晶体，因此在建模、模拟以及关心的性质方面都有较大差异。 工具 聚合物建模：根据用户指定单体连接方式、配比、数量，自动生成随机结构 基于QMMM等多尺度模拟方法，计算聚合物光学性质 玻璃化转变温度 热膨胀系数 力学性质（杨氏模量、屈服点、泊松比） 聚合物流体热力学性质：如气体在聚合物离子液体中的溶解度 极化率、介电常数 吸附、成键的化学键分析 聚合反应的模拟与交联率的计算 聚合物热解、生物降解模拟 指定连接方式后，随机生成的聚合物模型 聚合物与小分子形成化学键 聚合物与小分子间的电子转移（红色表示失去电子，蓝色表示得到电子） 应用 聚合物离子液体的溶解度 热固聚合物的玻璃化、热膨胀 绝缘材料 聚合物发光二极管 聚合物太阳能电池 离子电池新型电极材料
