对在高温、高压等极端环境中材料结构的变化,以及发现材料新的物相是目前材料学研究领域的热点和难点。USPEX对这一难点问题取得了突破性的进展。USPEX是Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography的缩写,由Artem R. Oganov研究小组开发的一种计算方法和同名软件实现。她克服了使用传统方法中遇到的成功率低和计算成本高的缺点,成功地实现了对于任意给定温度、压强条件下, 无需实验数据等经验参数,仅从材料化学成分组成进行晶体结构预测的功能。“uspekh” 在俄语中是“成功”的意思,也显示了这种方法近100%的成功率!
特色功能
◆无需实验数据,仅从材料的化学成分出发预测晶体结构,特别适用于高温、高压等极限条件下的晶体结构和分子结构预测。
◆功能性材料,如超硬、超密材料,高/低k介电材料等
◆新能源材料,如储氢材料等
◆金属,超导体,金属有机物等材料
◆支持各种晶胞结构的搜索。
◆由实验得到的晶胞结构开始搜索,如晶胞参数,晶胞形状,晶胞体积等
◆由已知和假设结构开始搜索
◆高效的收敛技术。
◆遗传进化算法(Evolutionary Algorithm)显著地降低对非物理和冗余结构的搜索
◆微粒群优化算法(Particle Swarm Optimization)对周期性晶体结构预测
40个原子的MgSiO3超晶胞的结构搜索。左图:结构局域优化随机搜索;右图:USPEX进化搜索。随机搜索120’000步后仍未收敛,而USPEX在1’000余步即达到稳定结构。正是因为引入了进化算法中对“优质”结构的筛选和继承,使得模拟过程快速地向低能方向收敛,同时也保留了较高能量的结构,有助于对高能区结构的探索。
◆支持分子结构的全部固定、部分固定、和完全可变的各种操作
◆使用“指纹识别”技术来确定结构的相似程度
◆支持断点续算(可修改参数)
◆具备与强大的可视化和分析工具STM4软件的接口
优势
USPEX通过数片结构的空间粘连,部分保留并考虑了原子的局域排布信息。反映了晶体中强的短程相互作用和当前一代的信息。对于处理较大的体系具有明显优势。置换算法提供了用户自定义哪种原子相互交换的功能,特别适用于具有长程化学相似的不同种原子构成的体系。
对于没有任何晶体信息或者仅有晶格参数的情况下,可以完全使用从头算处理6~40原子/晶胞的体系。对于多于40原子/晶胞的体系,计算成本显著增大,但仍可以实现,需要借助USPEX中的其他方法或近似,足以处理大多数的晶体学和地球物理学问题。对于100~200原子/晶胞的体系,使用经典力场方法,也可以得到很好的结果。
源代码授权
USPEX是由 Andriy O. Lyakhov, Colin W. Glass 和 Qiang Zhu 共同编写的matlab语言的软件包。对于大学和研究所中的个人研究者,USPEX 是开源代码(须注册)。对于企业用户,USPEX 是商业软件。北京宏剑公司是USPEX中国区合作伙伴,向国内用户提供USPEX源代码和技术支持。