USPEX—新材料和礦物相晶體結構預測軟件

      對在高溫、高壓等極端環境中材料結構的變化，以及發現材料新的物相是目前材料學研究領域的熱點和難點。USPEX對這一難點問題取得了突破性的進展。USPEX是Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography的縮寫，由Artem R. Oganov研究小組開發的一種計算方法和同名軟件實現。她克服了使用傳統方法中遇到的成功率低和計算成本高的缺點，成功地實現了對于任意給定溫度、壓強條件下, 無需實驗數據等經驗參數，僅從材料化學成分組成進行晶體結構預測的功能。“uspekh” 在俄語中是“成功”的意思，也顯示了這種方法近100%的成功率！

特色功能
◆無需實驗數據，僅從材料的化學成分出發預測晶體結構，特別適用于高溫、高壓等極限條件下的晶體結構和分子結構預測。
     ◆功能性材料，如超硬、超密材料，高/低k介電材料等
     ◆新能源材料，如儲氫材料等
     ◆金屬，超導體，金屬有機物等材料
◆支持各種晶胞結構的搜索。
     ◆由實驗得到的晶胞結構開始搜索，如晶胞參數，晶胞形狀，晶胞體積等
     ◆由已知和假設結構開始搜索
◆高效的收斂技術。
     ◆遺傳進化算法（Evolutionary Algorithm）顯著地降低對非物理和冗余結構的搜索
     ◆微粒群優化算法（Particle Swarm Optimization）對周期性晶體結構預測

       40個原子的MgSiO3超晶胞的結構搜索。左圖：結構局域優化隨機搜索；右圖：USPEX進化搜索。隨機搜索120’000步后仍未收斂，而USPEX在1’000余步即達到穩定結構。正是因為引入了進化算法中對“優質”結構的篩選和繼承，使得模擬過程快速地向低能方向收斂，同時也保留了較高能量的結構，有助于對高能區結構的探索。

◆支持分子結構的全部固定、部分固定、和完全可變的各種操作

◆使用“指紋識別”技術來確定結構的相似程度
◆支持斷點續算(可修改參數)
◆具備與強大的可視化和分析工具STM4軟件的接口

優勢
      USPEX通過數片結構的空間粘連，部分保留并考慮了原子的局域排布信息。反映了晶體中強的短程相互作用和當前一代的信息。對于處理較大的體系具有明顯優勢。置換算法提供了用戶自定義哪種原子相互交換的功能，特別適用于具有長程化學相似的不同種原子構成的體系。
      對于沒有任何晶體信息或者僅有晶格參數的情況下，可以完全使用從頭算處理6～40原子/晶胞的體系。對于多于40原子/晶胞的體系，計算成本顯著增大，但仍可以實現，需要借助USPEX中的其他方法或近似，足以處理大多數的晶體學和地球物理學問題。對于100～200原子/晶胞的體系，使用經典力場方法，也可以得到很好的結果。

源代碼授權
      USPEX是由 Andriy O. Lyakhov, Colin W. Glass 和 Qiang Zhu 共同編寫的matlab語言的軟件包。對于大學和研究所中的個人研究者，USPEX 是開源代碼（須注冊）。對于企業用戶，USPEX 是商業軟件。北京宏劍公司是USPEX中國區合作伙伴，向國內用戶提供USPEX源代碼和技術支持。