计算机在材料中的应用

计算机在材料研究中的应用 文献检索

1．为什么进行文献检索？ ? ? ? ?

熟悉研究的领域和背景； 了解研究的动态； 把握研究的前沿和创新。

面对日益增长的文献资源，如何通过一种有效的方法，以最少的时间与精力来获取自己所

要的信息

──这就是文献检索所要解决的问题 2．什么是真正的文献检索? ? ? ?

research=re + search

检索(retrieve)≠查找(search, find) 有四层含义:

1 如何有效查找到所需文献 2 如何查全,查精所需文献 3 如何整理、归纳文献 4 从文献中得出有意义的结论 3．5S检索新理念 ? ? ? ? ? ? – – ? ? ?

Select---选择合适的数据库 Search---如何精确查找文献 Sort---文献的筛选与归类

Systematize---文献管理软件的使用 Strategy---如何从文献中发现idea? 一般的文献资料

按存储介质分：电子版、纸质版

按出版类型分：书籍、期刊、学位论文、会议论文集、专利 特殊的文献资料：参数文件、程序代码、音频、视频、图片、动画、网页 下面仅介绍期刊文献的检索

通过标题、摘要和全文的关键词搜索；通过文献找文献：利用卷和起始页搜索；订阅期刊

的新文献目录提醒/RSS服务 6．期刊文献数据库 ? ? ?

4．文献资料的类型

5．要找什么期刊文献？

文摘型数据库： SCI、EI

全文型数据库：Nature、Science、ACS、Wiley、SD 、RSC 、Springer 、AIP、APS、 IOP、

Taylor、PNAS、AIChE、IEEE

中国期刊数据库：知网、万方、维普

7．文献检索方法 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

使用通用搜索引擎；使用文献数据库检索界面

百度：http://www.http://www.wodefanwen.com// Google：http://scholar.google.com

SCI：http://www.isiknowledge.com EI：http://www.engineeringvillage2.org.cn/ Scopus：http://www.scopus.com 美国化学会

ACS：http://pubs.acs.org 艾斯维尔Elsevier出版集团：

8．通用搜索引擎

9．文献数据库1

http://www.sciencedirect.com

威利Wiley出版集团： http://www.wiley.interscience.com 英国皇家化学会RSC：

http://www.rsc.org

斯普林格Springer出版集团： http://www.springerlink.com 自然出版集团Nature： http://www.nature.com/nature/index.html 科学出版集团Science： http://www.sciencemag.org/ 中国知网CNKI： http://epub.cnki.net/

通过电子图书馆获取；向同学、朋友求助；在BBS论坛/QQ群求助

10．文献数据库2

11．获取文献全文的方法

BBS论坛: http://emuch.net/bbs/ QQ群： ? ?

向论文作者索取；使用代理服务器下载 Dear Mr./Mrs.: ________（Author name）

12．索取全文的信件

I am a graduate student of XXX（您的学校） in China. I major in ―________‖（您的专业）. Recently, I found one of your articles, titled ―__________‖ （Title）in XXX(). I found it may help me achieve my goals in this research field. This would make a really positive contribution tomy work. I would like to be able to read the full text of this article. Theabstract makes the article sound very interesting. I know there is usually a fee required to obtain the full article from XXX; however, as a student, my only income is a small scholarship which is about U S $30.00 per month. I wonder if you would consider sending me the full text by Email. Perhaps you would consider this as an act of friendship between our two countries. Thank you for your kind consideration of this request. Sincerely: ___________（your name） My Email address is: ____________________ （your email） Date：Month/day/year 13．一些小技巧 ? –

如果要查找参数文件，通常有以下途径：

查找杂志文献提供的Supporting Information

– – –

14．文献阅读工具 ? ?

查找论文作者的硕士/博士学位论文及其附录 查找论文作者个人主页或其研究组的主页 查找所用程序主页上共享的文件

.pdf 文件：Adobe Reader http://www.adobe.com/

.caj文件：CAJ Viewer http://www.cnki.net/software/xzydq.htm

计算机在材料研究中的应用 论文投稿

1．投稿的步骤 ?

投稿前的检查；选择合适的期刊；推荐合适的编辑和审稿人；准备Cover Letter；在线投稿；

查看进程；修改再投；校稿、签署版权转让 2．投稿前的检查 ?

文献、图表是否引用正确，表述是否规范；数据是否统一；是否有片面性；英语：拼写、

语法；是否有保密内容 3．同行评议的内容 ?

稿件的内容是否新颖、重要;；实验描述是否清楚、完整;；讨论和结论是否合理;；参考文

献的引用是否必要、合理;；文字表达与图表使用 4．选择合适的期刊 ?

稿件的主题是否适合期刊所规定的范围？

? ―读者须知‖ 中有关刊登论文范围的说明； ? 作者本人经常阅读和引用的期刊 ?

期刊的声誉

? 引证指标 (影响因子、总被引频次)； ? 期刊在科学界的影响力 (同行的看法） ? ?

出版时滞；是否收取版面费

期刊在某年的影响因子：该年引证该刊前2年论文的总次数与前2年该刊所发表的论文总

数之比，如:《自然科学进展》2001年和2002年所发表的论文总数为 500 篇；2003年上述1000篇论文被引总次数为 300 次;2003年《自然科学进展》的影响因子为：300/500 = 0.600 6．影响因子的作用 ? ? ? ?

5．影响因子的定义

影响因子表示了期刊在近2年所发表论文的平均被引率，因而被认为是最能客观地反映不

同大小期刊的相对学术水平和学术影响的重要指标；

影响因子的计算基于论文在发表后的1–2年达到被引高峰； 综述类期刊通常具有较高的影响因子； 不同学科期刊的影响因子没有可比性;

? ? ? ?

期刊的影响因子是一个动态指标 引文的作者; 期刊的编委;

重要的研究群体或个人：

7．推荐合适的编辑和审稿人

? 与期刊主办单位的关系 ? 否曾经是期刊的作者， ? 知名度

8．什么是Cover Letter？ ?

应该简述所投稿件的核心内容、主要发现和意义，拟投期刊，对稿件处理有无特殊要求等。

另外，附上主要作者的姓名、通讯地址、电话、传真和e-mail地址。此外有的杂志要求推荐几位审稿人及其联系方式。以及谁已经阅读过该文（当然是牛人）。 与这个杂志的相关性，另外还有的可能要写明你没有一搞多投等。此外临床实验要求写明符合伦理学要求。 9．在线投稿 ? ? ? ? ? ?

输入网址，进入所选杂志的投稿系统 逐步输入稿件的标题、摘要等相关信息 上传稿件查看转换后的pdf文件，确认

查看稿件处理的状态及相关的邮件，并作出相应的回应

初投稿的人都希望一投稿就马上有回复，或者没到时间就写信去催，这是很不礼貌的。一

般来说，正规杂志不用催，到了承诺的时间就会给你回信。因此,不要一投稿就希望马上有回复。

文章审的越久,说明Reviewer越难找到你的漏洞；文章在他手上越长，说明他越喜欢你。

这样想你大概会开心一些的。 11．催稿信模板 ? ?

Dr. ---

Please excuse me for my disturbance. I want to inquire about our manuscript entitled as― --- ‖. It

was submitted on --- by online submission,and we have received no information --- months. I am afraid that I lose the important letters from you, because the E-mail sometimes may lose the letters. ? ? ? ? ? ?

10．投稿后的心态

We all appreciate you and your co-worker for the enormous work on our manuscript. We will

greatly appreciate your reply on my inquiry.

Yours sincerely, --- 2006-11-5

仔细阅读并思考审稿人或编辑提出的修改意见； 修改信：

12．论文修回

? 逐条说明按要求修改的内容；

? 如果认为审稿人或编辑的修改建议不合理，可坚持己见，但一定要有充足的理由 ? ?

尽快返回修改稿

认真思考审稿人或编辑提出的退稿意见

13．处理退稿 ? 暂不再投稿;

? 修改稿件, 并重投到同一份期刊(explain why); ? 修改稿件，改投其他期刊 ? ? ? ?

不要将不做任何修改的原稿件转投他刊 炮制数据 (forgery)； 一稿多投 (duplication)

抄袭剽窃 (plagiarism 包括―自我剽窃‖）； 避重就轻 (fact hiding) 化整为零 (fragmentation)

计算机在材料研究中的应用 实验设计

1．试验设计之源起 ? ? ?

20世纪30年代，由于农业试验的需要，R.A.Fisher 在试验设计和统计分析方面做出了一

系列先驱工作，从此试验设计成为统计科学的一个分支

F. Yates, R.C. Bose, O. Kempthome, W. G. Cochran, D. R. Cox和G. E. P. Box对试验设计都作

出了杰出的贡献，使该分支在理论上日趋完善，在应用上日趋广泛

1960年代，日本统计学家田口玄一将试验设计中应用最广的正交设计表格化，使得试验设

计得到广泛的普及与应用 2．国内试验设计简史 ? ? 法 ? 法。 ?

―优选法‖是单变量的最优调试法，―正交设计‖是基于拉丁方理论和群论的多因素试验设计

方法，―均匀设计‖则是基于数论方法的另一种多因素试验设计方法。 3．为什么要进行实验设计？ ?

试验设计得好，会事半功倍，反之就会事倍功半了。好的试验设计方案可以大大减少试验

次数，得到充分的信息，简化数据处理过程，节省人力、物力和时间。正确合理的试验设计，可以使试验结果的可靠性显著提高。试验设计还可以为迅速寻求参数的优化数值和选择最佳工艺方案指明方向。 ?

材料科学与材料工业中经常会出现各种试验设计问题，例如配方试验或称混料试验

(Experiments with Mixtures)，就是在材料科学中经常遇到的问题之一。

14．投稿五忌

60年代由华罗庚教授倡导与普及的―优选法‖，即国外的斐波那契方法

70年代我国的数理统计学者在工业部门中普及的―正交设计‖法都是人们熟悉的试验设计70年代末期由方开泰教授和王元教授倡导和推广的均匀设计也是一种常用的试验设计方

4．基本概念 ? 标 ? ?

因素：或称为因子，有可能影响试验指标的条件，称作因素。通常情况下固定的因素在试

验方案中并不称为因素，只有变化的因素才称为因素

水平：或称为处理，能影响试验指标的因素，通常人为地给予控制、分组，在统计学上，

统称其为因子的水平 5．基本要求 ? ?

进行不同处理的实验单元间，要有相同的系统；要有明确的试验目的、恰当的指标 要挑选因子，适当确定水平。使试验范围尽可能大一点，试验范围太小的缺点是不容易获

得比已有条件有显著改善的结果。每一个因素的水平个数最好适当多一些，水平的间隔大小和生产控制精度是密切相关的。同时，因素和水平的含意可以是广义的；处理实验数据要能配上相应的数理统计方法，以达到预期的试验目的 6．全面试验法 ?

将每一个因素的不同水平组合做同样数目的试验。一般说m个因子n个水平的全面试验需

要做nm次试验。当因素的个数不多，每个因数的水平数也不多时，用全面试验的方法，并且通过数据分析可以获得较为丰富的结果，结论也比较精确。当因素较多，水平数较大时，全面试验要求的试验数目可能非常大，虽然最后能够找出最好的搭配方案，但费时费工，往往不可能实现，因此除了一些比较简单的情况外，一般不进行全面试验 7．简单对比法 ?

又称孤立因素法，是将因子中只变化一个，其余的固定，然后逐步地得到好的搭配的方法。

`这种方法一般也能得到一定的效果，而且比全面试验的次数少，但也有缺点，就是对待各因子和水平不是均等的。并且先固定那些因子，后变化那些因子，都会影响试验结果，因此最后的结果是不是最好的，还不能充分肯定 8．随机试验法 ? ? ?

完全随机试验法：是一种最基本的试验设计，即各因素的水平完全随机分配 随机区试验法：在划分区间后，用随机数字表或抽签法来确定顺序的试验设计方案 将一定数的文字排成正方形，每个文字在各行各列都出现一次而且只出现一次，这样的方

格称为拉丁方。第一行与第一列相同的顺序排列的拉丁方称为标准型拉丁方。对于因子数多于3的实验，实验数将随着因子数的增加而快速地增加，采用拉丁方试验法，可以大大减少实验数。组成拉丁方区的必要条件是，在拉丁方区内行数等于列数等于水平数。拉丁方是供不存在交互作用的因子的实验设计用的。拉丁方设计的主要目的是研究单因素不同水平对实验结果的影响。 10．科学的实验设计方法 ?

均匀设计方法；正交设计方法

11．正交试验设计

指标：在试验设计中，人们把判断试验效果好坏所采用的标准称为试验指标，或简称为指

9．拉丁方试验法

? ?

正交试验设计方法，就是利用数理统计学与正交性原理，从大量的试验点挑选适量的具有

代表性、典型性的点，应用―正交表‖合理安排试验的一种科学的试验设计方法。

统计学家将正交设计通过一系列表格来实现，这些表格叫做正交表，记为Lt(me)，其中L

表示正交表，t表示总共做t次试验，m表示每个因素都有m个水平，e表示表中有e列，最多可以安排e个因素

12．常用正交表 ? ?

二水平正交表：L4(23)，L8(27)，L16(215)，L32(231)；三水平正交表：L9(34)，L27(313) 四水平正交表：L16(45)；五水平正交表：L25(56)；混合水平的表：L8(4?24)，L12(23?31)，

L16(44?23)，L16(43?26)，L16(42?29)，L16(41?212)，L18(81?28)，L18(21?37) 14．正交设计的特征 ?

正交设计是利用数学上的正交性确定的设计方法，本质上具有―均匀分散、整齐可比‖的特

点。具体表现为：水平均匀性：每个因子和因子的每个水平都是均匀分配的；搭配的均匀性：每个因子的各个水平出现的次数都是相同的，任何两个因子的搭配也都以相同的次数出现 15．正交试验过程 ? 题 ? ? ?

分析因子与指标的关系，即当因子变化时，指标是怎样变化。找出这种变化的规律，可以

利用它能动地指导生产

分析因子影响指标的主次，即分析哪个因子是影响指标的主要因素，哪些是次要因素。找

出主要影响因素常常是生产中关键问题之一

寻找好的生产工艺，即找到每个因子各取什么水平，会得到最好的指标。也就是选出最优

方案，这是生产中最需要解决的问题 16．用正交表安排试验的步骤 ? 中 ? ? ? ? ?

将各因子的水平安排到相应的表格中；形成试验方案

正交试验设计缺点在于它只适合于水平数不多的试验。通常情况每个因子有q个水平，用

正交表安排试验，至少要作q2次试验，当q较多时，q2非常大，很多情况无法进行试验

正交试验设计只考虑全局平衡，只得到可能的优化方向

利用正交表进行试验设计并分析结果一般有两种方法，即直观分析与方差分析。 直观分析就是通过计算将各个因子、水平对试验结果质量指标影响的大小，用图形表示出

来，通过直观分析，综合比较，以确定最优化试验方案的方法。 19．直观分析的目的 ?

就是在确定指标、因子和水平后，用正交表安排试验方案。它主要要求解决三个方面的问

根据因子数和水平数以及试验条件的限制，选择合适的正交表；将各因子放到表头的各列

17．正交试验设计的评价

18．直观分析

因子与指标的变化规律，从k1,k2,k3与因子的关系图来考察

? ? ? ?

因子影响指标的主次顺序，从极差R来考察，R越大，影响越大 选顶最优方案，看各个因子中哪些水平的平均指标最高，来获得最优方案 以实验验证最优方案

研究温度、压力、配比及时间四个因子对某种材料质量指标的影响：温度取430、450、4700C，

压力取10、20、30kg，配比取3%、5%、7%，时间取1、2、3小时，质量指标越大越好

20．正交设计举例

21．设计试验 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 值 ? ?

计算并打印因子极差R；打印直观分析图；结束

所有的试验设计方法本质上就是在试验的范围内给出挑选代表点的方法。正交设计是根据

正交性准则来挑选代表点，使得这些点能反映试验范围内各因素和试验指标间的关系。正交设计在挑选代表点时有两个特点：均匀分散，整齐可比。均匀分散时试验点有代表性；整齐可比便于试验数据的分析。为了保证整齐可比的特点，正交设计至少要求做q2次试验。若要减少试验的数目，只有去掉整齐可比的要求。均匀设计就是只考虑试验点在试验范围内均匀散布的一种试验设计方法。 26．均匀设计表 ?

每一个均匀设计表都有一个代号Un(qs)或Un*(qs)，其中―U‖表示均匀设计，―n‖表示要做n

次试验，q表示每个因素有q个水平，s表示该表有s列；U的右上角加―*‖和不加―*‖代表两种不同类型的均匀设计表，通常加―*‖的均匀设计表有更好的均匀性，应优先选用。但是不加―*‖的均匀设

根据因子和水平数选用可以安排四因子、三水平的正交表L9(34) 将温度、压力、时间和配比随机安排在正交表的各个列上 安排各因素的水平 得到试验方案

对各个因子的每个水平所对应的质量指标求和得到K1, K2, K3 在每一列中计算的K1, K2, K3平均值k1, k2, k3

在每一列中计算极差，即用每一列的k1, k2, k3中最大者减去最小者所得到的值，记为R 用每一个因子的k值对该因子的水平作图，观察各个因子与指标的变化规律 由极差R决定因子影响指标的主次顺序：温度>压力>时间>配比

选择最优方案：由各个因子中平均指标最高的水平组合而成试验方案：A3B2C2D3 实验验证优选方案

程序说明；开始；控制读入数据；读入因子数、水平数、试验数、指标数；数组定维 读入正交设计因子、水平数字信息和指标信息；计算并打印K值；选择最大K值和最小K

22．直观分析

23．分析结果

24．正交试验设计程序流程

25．均匀设计的缘起

计表表能安排更多的因素，所以当因素数s较大，且超过加―*‖的均匀设计表的使用范围时，可使用不加―*‖的均匀设计表 ?

每一个均匀设计表都附有一个使用表，它指示我们如何从均匀设计表中选用适当的列，以

及由这些列所组成的试验方案的均匀度。使用表最后一列D表示刻划均匀度的偏差 (discrepancy)，偏差值越小，表示均匀度越好 27．均匀设计的特征 ? ? ? 用表 ? ? ? ? ? ?

当因素的水平数增加时，试验数按水平数的增加量在增加

均匀设计实验结果需要应用回归分析方法来处理，由于没有正交性，不能使用直观分析或

方差分析

性质（1）和（2）反映了试验安排的均衡性，即对各因素，每个因素的每个水平一视同仁 在阿魏酸的合成工艺考察中，为了提高产量，选取了原料配比（A）、吡啶量（B）和反应

时间（C）三个因素，它们各取了7个水平如下： A： 1.0, 1.4, 1.8, 2.2, 2.6, 3.0, 3.4

B(ml)：10, 13, 16, 19, 22, 25, 28；C(h)： 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5 根据3个因素和7个水平，我们可以选取均匀设计表U7*(74)或U7(74)，由它们的使用表

可以查到，当s=3时，两个表的偏差分别为0.2132和0.3721，故应当选用U7*(74) 来安排试验，其试验方案列于下表。该方案是将A、B、C分别放在U7*(74)表的后3列而获得的。 30．试验数据分析 ? ? ? ?

回归分析拟合出指标与各个因素的关系式Y=f(x1, x2, …, xn)；Y=a1*x1+a2*x2+…+anxn 通过关系式揭示指标与各个因素之间的定性关系或定量关系:系数的大小决定因素对指标

影响的大小，系数的正负决定因素对指标影响的趋势

非线性关系式表征交互作用影响或非线性因素的影响

最优工艺条件的确定：用各种最优化算法求关系式的极值；用微积分算法求极值；条件有

限时可以用网格求极值 31．正交设计与均匀设计的比较 ? ? ?

正交设计和均匀设计是目前最流行的两种试验设计的方法，它们各有所长，互相补充，给

使用者提供了更多的选择

正交设计具有正交性，如果试验按它设计，可以估计出因素的主效应，有时也能估计出它

们的交互效应

均匀设计是非正交设计，它不可能估计出方差分析模型中的主效应和交互效应，但是它可

以估计出回归模型中因素的主效应和交互效应

每个因素的每个水平做一次且只做一次试验

任何两个因素的试验点点在平面的格子上，每行每列有且仅有一个试验点

均匀设计表的任何两列组成的试验方案一般并不等价，因此每个均匀设计表必须有一个使

28．均匀设计举例

29．试验方案的确定

32．进一步的比较 ? ? ?

正交设计用于水平数不高的试验，因为它的试验数至少是水平数的平方；均匀设计适合于

多因素多水平试验

均匀设计提供的均匀设计表在选用时有较多的灵活性均匀设计的试验次数随水平数呈连

续性增加，正交设计呈跳跃性增加

正交设计的数据分析程式简单，直观分析可以给出试验指标随每个因素的水平变化的规

律；均匀设计的数据处理要用回归分析来处理，计算复杂，必须有计算机的帮助 33．计算机辅助实验设计软件 ?

正交设计助手；均匀设计助手

计算机在材料研究中的应用 计算

1．Excel相关的书 ? ?

2008 Excel 2007 for Scientists (Verschuuren)；2007 Excel 2007 Top 100 Simplified Tips and

Tricks (Etheridge)

2004 How to Use Excel in Analytical Chemistry (Levie)；2002 A Guide to Microsoft Excel 2002

for Scientists and Engineers (Liengme) 2．计算工具Excel ?

Excel是最为强大的数据处理工具之一；本章主要介绍Excel用于数据处理的基本概念、基

本功能、数据输入技巧 3．公式的概念 ? ? ?

Excel的公式由运算符、数值、字符串、变量和函数组成。

公式必须以等号―=‖开头，即在Excel的单元格中，凡是以等号开头的输入数据都被认为是

公式。在等号的后面可以跟数值、运算符、变量或函数，在公式中还可以使用括号。

例如：=10+4*6/2+(2+1)*50 就是公式，可以在任何单元格中输入此公式．Excel会把公式

的计算结果显示在相应的单元格中 4．一些说明 ? ?

括号的运算级别最高，在Excel的公式中只能使用小括号，无中括号和大括号。小括号可

以嵌套使用，当有多重小括号时，最内层的表达式优先运算。同等级别的运算符从左到右依次进行。

―&‖为字符连接运算，其作用是把前后的两个字符串连接为一串。例如，\的

结果为―ABCDEF‖，\财务\经济\的结果为―财务经济‖。 5．引用的概念 ? ? ? – –

引用即在公式中用到了其他单元格在表格中的位置。引用的作用在于标识工作表中的单元

格或单元格区域，并指明公式中所使用的数据的单元格位置。

引用不同工作簿中的单元格称为链接 引用的类型

A1引用 R1C1引用

6．相对引用 ?

相对引用也称为相对地址引用，是指在一个公式中直接用单元格的列标与行号来取用某个

单元格中的内容 7．绝对引用 ? 变。 ? ? ? ? 式为： ? ?

Sheet1:Sheetn!单元格（区域）

例如，Sheet1:sheet8!C5和Sheet1:Sheet8!B2:D6都是三维引用，前者包括Sheet1~sheet8这

8个工作表中每个工作表的C5单元格，后者包括此8个工作表中每个工作表的B2:D6区域 11．内部引用与外部引用1 ? ? ? ?

引用相同工作表中的单元格，例：=G3+G5+G10*10

引用同一工作簿不同工作表中的单元格，例=Sheet1!G3+Sheet2!G5+Sheet2!E27 引用已打开的不同工作簿中的单元格，例：=[Book1]Sheet1!$IL$4+[Book2]Sheet2!$E$7 函数是Excel已经定义好了的一些特殊公式，它们可以对一个或多个数据进行计算，然后

把计算的结果存放在某个单元格中 13．Excel函数类型 ? ? ? ? 均值

15．max和min函数 ? ?

绝对引用总是在指定位置引用单元格。如果公式所在单元格的位置改变，绝对引用保持不绝对引用的形式是在引用单元格的列号与行号前面加―$‖符号。 比如，$A$1就是对A1单元格的绝对引用。

混合引用具有绝对列和相对行，或是绝对行和相对列。比如，$A1、$B1

对同一工作薄内不同工作表中相同引用位置的单元格或区域的引用称为三维引用。引用形

8．混合引用 9．三维引用

12．函数的概念

工作表函数、财务函数、日期函数、时间函数、数学与三角函数、统计类函数、数据库管

理函数、文本函数及信息类函数等

常用工作表函数：Sum、Average、Max、Min、Count、Countif、If

用法：sum(x1,x2,x3……x255)；Average (x1,x2,x3……x255)；其中，x1,x2 ……x255可以是

数字，单元格或单元格区域的引用，也可以是表达式。

功能：sum求所有参数x1,x2 ……x255的总和．；Average求所有参数x1,x2 ……x255的平

14．Sum和Average函数

用法：max(x1,x2,x3……x255)；min (x1,x2,x3……x255)；其中，x1,x2 ……x255可以是数

字，单元格或单元格区域的引用，也可以是表达式。

功能：max求所有参数x1,x2 ……x255的最大值．；min求所有参数x1,x2 ……x255的最小

值

16．Count函数 ? ? ? ? ? 域。 ? 值．

19．工作表数据输入 ? ?

数据输入是很实际的问题，许多工作人员不得不面对它。针对不同规律的数据，采用不同

的输入方法，不仅能减少数据输入的工作量，还能保障输入数据的正确性。

如果不了解掌握不同类型数据的输入方法，可能就要成天座在电脑前，一五一十地输入数

据，输完了还要检查。某些人要几天才能输入完成的数据，但有的人几分钟就完成了，而且数据不会出错！

20．Excel的常见数据类型 ? ?

21．数值型数据的取值范围 能 字精度 元格中可键入的最大值 大正数 小负数 小正数 大负数 22．数据输入的一般过程 ?

（1）选定要输入数据的单元格。（2）从键盘上输入数据。（3）按Enter键后

23．输入数值

用法：count(x1,x2,x3……x255)；其中，x1,x2 ……x255可以是数字，单元格或单元格区域

的引用，也可以是表达式。

功能： 统计x1,x2 ……x255中数字的个数

用法： COUNTIF(单元格区域, ―条件‖) ；其中条件可以是比较式，但必须用双引号括起

来．如―>90‖，―<=60‖

功能:统计指定单元格区域中满足条件的数字的个数

用法：IF(条件, 表达式1, 表达式2) ；其中表达式可以是数字、函数、单元格或单元格区功能：条件成立时，函数结果为表达式１的值；条件不成立时，函数的结果为表达式２的

17．Countif函数

18．IF函数

数字型、日期型、文本型、逻辑型数据

数字型表现形式多样：货币、小数、百分数、科学计数法、各种编号、邮政编码、电话号

码等多种形

大限制 位 99999999999999E+307 79769313486231E+308 2251E-308 229E-308 E-307

? ? ? ?

（1）正数的输入：+234，13,333,333，12E3（2）负数的输入： -234，(234)，-12e2 （3）分数的输入: 2 2/3, 0 3/4（4）货币数据的输入:￥123，$21 字符文本应逐字输入；数字文本以?开头输入，或用=―数字‖方式输入

输入文本32，可输入： =―32‖ 或输入：'32；文本形式的公式，要通过―插入‖选项卡―文本‖

组中的―对象‖命令

24．输入文本

25．输入日期 ? 入 ? ?

在―开始‖选项卡―数字‖组卡，单击其中的箭头，E弹出图示的―单元格格式‖设置对话框 公式是对工作表中的数值进行计算的等式。公式要以等号（＝）开始；例如在A3输入：

=5+2*3，结果等于 2 乘 3 再加 5。A3中将显示11 27．相同数据的输入 ? ?

复制相同数据；填充复制相同数据；用Ctrl+Enter输入相同数据

复制输入连续的编号 ；填充产生连续编号 ；利用自定义格式产生特殊编号 ；用自定义

格式输入大数字编号 29．组合多个单元格数据 ? ?

用&运算符组合数据；用&和文本函数的结合

项目个数少而规范的数据，比如职称、工种、单位及产品类型等，这类数据适宜采用Excel

的―数据有效性‖检验方式，以下拉列表的方式输入 31．下拉列表建立方法 ? ? ? ? ? ? ? ?

以yy-mm-dd形式，或mm-dd形式输入；通过格式化得到其它形式的日期，这样可减少输

26．输入公式

28．编号的输入

30．下拉列表的适用范围

（1）选中要建立下拉列表的单元格区域。

（2）然后选择功能区中的―数据‖选项卡，单击―数据工具‖组中的―数据有效性‖控件 （3）选择―设置‖标签，然后从―允许‖下拉列表中选择―序列‖选项。 （4）在―来源‖文本框中输入职称名字―助教,讲师,副教授,教授……‖

如果表格中的不同数据列之间存在一定的依赖关系，那么用IF公式进行数据的转换输入是

一种效率较高的输入方法。

如果某些数据已经在其它数据表中建立好了，查询输入可以提高效率，且能减少输入错误。 IF函数又称为条件函数，它能够对给出的条件进行判断，并根据判断结果的正误执行不同

的运算。IF函数的调用形式如下：

IF(条件式,条件正确时函数的取值,条件错误时函数的取值)比如，IF(3>2,―right‖,―error‖)‖的

32．查找输入的意义

33．IF函数的应用

结果是―right‖，而IF(3<2,\的结果应该是―error‖ ?

因为3>2是正确的，函数的结果就是―条件正确时的取值‖。与之相对应，而3<2是错误的，

所以……。 34．IF函数的嵌套使用 ? ?

IF函数可以嵌套使用，即在IF函数中还可以使用IF函数，最多可以嵌套7层

Vlookup函数能够从其它工作表（或本工作表）将某数据列中的数据查找出需要的数据。

VLOOKUP函数的用法如下：VLOOKUP（x, table, n, r）其中x是要查找的值，table是一个单元格区域。Excel将只在table的第1列查找有无x，n是table中待返回的匹配值的列序号。r可以取0或1，当r=0时，该函数将进行精确匹配查找；当r=1时，table的第一列应按升序排列，否则找到的结果可能不正确，r=1表示Excel实行的是近似值查找 36．自定义序列 ?

用户可以将经常使用的数据序列添加到Excel系统中，该序列就会拥有与Excel内置序列

相同功能。比如，输入该序列的第一项内容后，其后各项都可以通过填充复制产生。 37．序列建立方法 ? ? 内容。 38．行列转置输入 ?

某些时候需要将工作表的行数据作为列数据输入，或将列数据作为新表的行数据。这样的

工作表数据可通过行列转置快捷生成。 39．限定输入数据的长度 ? ? ?

对输入到单元格中的数据进行一定程度的限制，比如限制小数位数、日期和时间的范围、

字符的个数等。

当输入的数据不符合限定规则时，Excel就显示一些警告信息，并且不接受输入的数据。 如果工作表的数据是由其他人输入的，则有必要在别人输入数据时给出一些简要的提示信

息，或对数据输入的规则作些说明 40．Rand 函数产生数据 ?

又称为随机函数，它产生一个介于0~1之间小数 。；对Rand函数的结果进行放大，能产

生任意范围内的数据。如：RAND()*100 ：可以产生0~100之间的数据；RAND()*50+50 ：可以产生50~100之间的数据。 41．Int函数产生数据 ?

35．Vlookup函数查找

（1）单击Office按钮→―Excel选项‖ →―常用‖ →―编辑自定义列表‖。弹出图示的―自定义

序列‖对话框。（2）在 ―输入序列‖中依次输入序列内容。

（3）建立输入序列后，输入第一项，即―计算机学院‖后，通过填充复制就能产生其它各项

又称取整函数，将数字向下舍入到最接近的整数。比如：INT(8.9) 的结果是8；INT(-8.9) 的

结果 是-9

计算机在材料研究中的应用 作图

1．Origin软件 ? ?

窗口组成 ；数据的输入、编辑和保存；数据的统计处理；数据间关系的图形表示 对实验数据进行常规处理和一般的统计分析，如记数、排序、求均值和标准差、t检验、

快速傅立叶变换、比较两列均值的差异、回归分析，此外用数据作图（用图形显示数据之间的关系），用多种函数拟合曲线等等。 3．Origin的窗口组成1 ?

从上至下依次为标题栏、菜单栏和窗口主体。；标题栏：显示正在编辑的数据、绘制中的

图形文件名。；菜单栏：含有Windows其它应用程序中类似的下拉菜单，但具体的菜单按数据页、矩阵页、图形页有所不同。上图显示的是数据页的页面窗口图。 4．Origin的窗口组成2 ?

数据页或图形页的主显示窗口，上述Origin初始界面窗口图显示的是空白的数据页。；最

下面是状态栏，显示当前操作的状态、结果或提示。 5．数据的输入、编辑和保存 ? ?

在Origin对数据加工之前，首先需要把准备处理或绘图的数据输入系统。

Origin可以直接接受从键盘录入的数据和对数据进行现场修改编辑，从已有的数据文件中

读入数据则比较方便、迅速和准确，尤其是在数据量很大的情况下，后者更有优越性。 6．直接录入数据 ? ? ? ? 8．例题2

给A列的第1?101的数据格中置值，表示出sin从0?2p的一个完整周期。；用鼠标点击A列的最上部―A‖处，选定整个A列。；选择―Set Column Values‖命令。；在对话栏中输入如上图所示的表达式―sin((i-1)*2*pi/100)‖，其中pi表示p。；修改i的起始点(1)和终点(101)。；点击按钮―Do It‖，完成数据置值。 9．读取二进制数据

。读取Origin二进制方式的数据文件：打开―File‖下拉菜单中的―Open‖命令，在相应的目录、路径中找到后缀为.org的文件并打开 10．读取其它格式数据

2．Origin的主要功能和用途

在空白的数据页中可以通过键盘输入各种数据。

数据页的初始状态为空白的A和B两列，通过键盘在空白的数据格中逐个输入数据。 函数表达式对整列数据进行赋值：；选定一个数据列中的几个数据格（点击后拖动鼠标）

或一个数据列。

打开―Data‖下拉菜单，选择―Set Column Values‖命令。；通过对话栏输入函数表达式对整列

数据进行赋值。

7．函数赋值输入

? 在数据页窗口中，打开―File‖下拉菜单，根据数据文件的格式选择―Import‖中相应的命令，

例如文本文件可以选用―Import‖中的―ASCII‖。；在选择数据文件所在的目录路径，确认相应的文件后完成数据读入。

11．一个数据页中读入多个数据文件 ? ? ? ? ?

在数据页中读入第一个数据文件后，点击第一列数据的上部（选定第一列数据）。 选择―Edit‖菜单中的―Insert‖命令（在原来的第一列数据前加入一空白数据列），重复这个命

令使得空白数据列数等于要打开的下一个文件的数据列数。

选择―File‖菜单中的―Import‖命令，给定文件的目录路径和文件名

打开―File‖菜单，选择―New‖中的―Worksheet‖命令，可以打开一个新的空白数据页。 选用上面介绍的方法读入或输入数据。；编辑数据：对数据页中的数据进行修改、添加和

删除等加工。 13．删除数据 ? ?

选定一个数据格。

打开―Edit‖下拉菜单，选择―Clear‖命令，则该格置为空白（不是零）；如果在―Edit‖菜单中，

选择―Delete‖命令，则该格被取消，下面行的相应格依次向上替补。 14．删除数据列（行） ? 替补。

15．修改数据及其属性 ? ?

修改数据：；选定一个数据格，修改该项内容。；改变列的数据类型和属性：

在每个数据列名称旁边的括弧中都标明了该列数据的属性，例如：X、Y、Z、L（字符，

Label）或无属性（没有括弧和标记） 16．数据操作 ?

为了方便将数据集绘图，一个数据集中只能有一个X列（该列数据用于配置X轴），但是

可以有多个Y列、多个Z列和多个L列。数据类型有数值(Numeric)、字符(Text)、时间(Time)、日期(Date)、月份(Month)、星期(Day of Week)等。在进行数据类型和属性操作时，首先要在数据页中，选定一个数据列。 17．改变数据属性及类型 ? ?

属性：打开Column下拉菜单，选择相应的属性命令―Set as X‖、―Set as Y‖、―Set as Z‖、―Set

as Label‖或者选择―Disregard Column‖命令不给定任何属性。

类型：打开Column下拉菜单，选择―Rename/Format‖命令，在对话框的―Column Type‖一栏

中选择相应的数据类型。 18．改变数据列的名称 ?

12．打开多个数据页读入数据文件

选定一个数据数据列（行），打开―Edit‖下拉菜单，选择―Clear‖命令，则该列（行）为空白；

如果在―Edit‖菜单中，选择―Delete‖命令，则该列（行）被取消，由右边列（下面行）依次向左（上）

在Column菜单中选择―Rename/Format‖命令，修改对话框的―Column Name‖一栏。例如，

用这个方法可以将例1中A列的名称改为FAA，将B列的名称改为GAA 19．以ASCII文本方式保存数据 ? ? ?

在数据页中，打开―File‖下拉菜单，选择―Export ASCII‖命令。

选择驱动器、给定文件的路径和文件名并确认后完成数据文件的保存。

在―File‖菜单中选择―Save‖命令把数据文件更新保存（不改变原有的文件名），―Save As‖命

令更名保存，后缀为.org 21．数据排序 ? ?

在数据页中，选定一个排序的列。；打开―Data‖下拉菜单，选择―Sort‖命令。

在对话栏中选择―Ascending（升序）‖或―Decending（降序）‖。；确认后，所有数据列会按

排序调整

22．按列求和、均值和标准差 ?

在数据页中，点击要处理的一个或数个列的最上部，选定整个列。；打开―Data‖下拉菜单，

选择―Statistics on Columns‖命令。；在新出现的数据页中为对各列的统计结果，和(Sum)、均值(Mean)和标准差(sd)

23．例题3 ? ?

求例9-1中火焰原子吸收FAA和石墨原子吸收GAA分析结果的均值和标准差。

按上述步骤操作后，求得FAA的均值为4.99833，标准差为0.00753；GAA的均值为4.995，

标准差为0.0345 24．按行求均值和标准差 ? 命令。 ? ? ?

该数据页右边新增的数据列显示相应行的数据的均值(Mean)和标准差(sd)。

在―Test Mean‖一栏里，填入检验均值?0。；在―Significance Level‖中填入显著性水平?（也

称为信度值）。

确认后，系统打开―Script Window‖，给出检验结果：均值(mean)、方差s2(variance)、数据

量（N）、t的计算值、t分布和检验的结论。 26．多元线性回归 ?

求回归方程y = y0 + a1 x1 + a2 x2 + a3 x3 + ……。在许多数据分析中常常需要求出这种定

量的经验关系。；在数据页中，选定两个或两个以上的Y数据列。；打开―Data‖下拉菜单，选择―Multiple Regression‖命令后确认。；分析结果显示在另一个Script Window中。 27．数据绘图 ?

当数据页中的数据准备好之后，就可以进行两维图形的绘制了。用图形方法显示数据比较

直观，数据间的关系容易理解，因而在科技论文、实验报告中经常使用。；Origin软件提供了数据

20．以二进制方式保存数据

在数据页中，选定待处理的一个或数个行。；打开―Data‖下拉菜单，选择―Statistics on Rows‖

25．一组（列）数据的t-检验2

分析中常用的绘图、曲线拟合和分辨功能。 28．两维数据图的绘制1 ?

首先确认数据页中各列的属性，这类图形以X为横坐标，Y为纵坐标，在数据页中可以有

数个Y数据列，但是，只能有一个X列。；选定绘图用的Y数据列并打开―Plot‖菜单，选择―Line‖（线图）、―Scatter‖（数据点分布图）、―Line + Symbol‖（点线图）其中之一，显示图形 29．两维数据图的绘制2 ? 一。 ? ? 数据图

30．点误差、列标准差的图表1 ? ? 并确认

31．点误差、列标准差的图表2 ?

或者在图形页中，打开―Data‖菜单中选择其中的一个Y数据列。；在―Plot‖菜单中选―Add

Error Bars‖。；在随后的对话框中有四个选项，―Percent of data (%)‖（数据的百分值），―Standard Deviation of Data‖（数据的标准差），―Worksheet Column‖（数据页中数据列的名称，如―A‖），―New Worksheet Column‖（在数据页中定义新的数据列），选择其中之一，并给定其参数 32．在一张图(layer)两套Y轴的方法 ? ? ? 方图。 ? ? ?

与―Column‖和―Stack Column‖命令相仿，选择―Plot‖菜单中的―Bar‖或―Stack Bar‖命令，则绘

制横直方图；在有多个Y数据列的情况下，为并列或堆积横直方图。

若选择―Plot‖菜单中的―Pie Chart‖命令，则绘制扇形图。

在数据页中，给数据列用函数表达式赋值后，选择―Plot‖菜单中的―Line‖命令。；或者，在

数据页（图形页）中，选择―File‖菜单中的―New Plot Window‖命令。；在随后的空白图形页中，选择―Plot‖菜单中的―Add New Function‖命令。；在对话框中输入函数表达式.；或者，打开―File‖菜单，选择―New‖中的―Function Plot‖，并输入相应的函数。

或者，在数据页中释放掉选定的数据列（用鼠标点击数据列头部以外的任何位置）后，打

开―Plot‖菜单，选择―Line‖（线图）、―Scatter‖（数据点分布图）、―Line + Symbol‖（点线图）其中之

在数据列的图形安排对话框中，为图形的X和Y轴选择数据列。

在有数个Y数据列的情况下，可以为图形安排多个Y，相当于在一个图形页面中显示多组

在数据页中，读入数据及Y列各点的误差。；选定表示Y列误差的数据列。

选择―Column‖菜单中的―Set as Error Bars‖命令。；打开―Plot‖菜单，选择其中的―Line‖或

―Scatter‖或―Line + Symbol‖命令。；在绘图选项对话框中将Y及其误差列都选入绘图的―Y Column‖，

在数据页中，选定两个Y数据列。；选择―Plot‖菜单中的―Double Y (Line/Symbol)‖命令。 图形左边是第一个Y数据列的坐标，右边是第二个Y的坐标

在有多个Y数据列的情况下，选择―Plot‖菜单中的―Stack Column‖命令，则绘制堆积式竖直

33．直方图、扇形图

34．在空白图形页中显示函数图形

35．在已有的图形页中加入函数图形 ? ?

在图形页中，选择―Plot‖菜单中的―Add New Function‖命令。；在对话框中输入函数表达式 Origin的图形页面，分为页page和layer。一个图形窗口称为一个页面(page)，在同一个页

面中还可以安排数个几幅子图(layer) 37．在同一个页面中增加新的layer ?

在图形页中，打开―Page‖菜单，选择―New Layer‖中的相应坐标轴显示方式，在窗口的左上

方会出现新的layer的按钮。；选择―Plot‖中―Add Plot to Layer‖命令，在新增加的layer中安排图形 38．增加新的页面 ? ? ? ? ? 中

41．页面中图形大小与位置的安排2 ? ? ? ? ? ? ? ?

44．坐标轴及说明 ? ? ?

点击坐标轴或打开―Plot‖菜单的―X Axis‖或―Y Axis‖。 在―Scale‖栏中，可以选择轴的取值范围，坐标的刻度。

对话框的左下方栏中，是坐标单位的选择，除了正常的线性坐标以外，还有对数坐标、倒

数坐标等选项。

36．增加新的图形和删除图形

打开―File‖菜单，选择―New‖中的―Plot Window‖。在增加页面中安排新的图形 点击一图形的坐标轴，选择―Edit‖菜单中的―Clear‖命令，并确认

在图形页中，点击相应的layer按钮，选择―Plot‖菜单中―Layer Control‖命令。

在―Frame‖对话栏中可以通过选择大小(Size)和边距(Offset)，改变图形大小和安排该layer

在图中的位置，注意参数单位(% of Page、inch、cm、mm、pixel等等)。

在图形页中，选择―Page‖菜单中―Merge All Pages‖命令，能够将多个图形页整合在一个页面

39．删除图形

40．页面中图形大小与位置的安排1

在图形页中，―Page‖菜单的―Rotate Page‖，转动页面趋向。

在图形页中，选择―Page‖菜单中―Arrange All Layers‖，用于把多个图形整齐地排成数行数列 在图形页中，点击相应的layer按钮，选择―Plot‖菜单中―Layer Control‖命令。

在―Scale Elements‖对话栏中，改变―Fixed Factor‖的参数，可以对图形元素（字符、代表数

据点的符号、坐标说明等）进行放大或缩小。

―Show Elements‖对话栏用于安排轴和数据点的出现与隐藏 ―Background‖对话栏用于图形页背景色和边框类型的选择。 最下面对话栏用于增加或删除在图形中显示的数据列。

在图形页中，―Page‖菜单的―Page Control‖中的―Page Color‖按钮，用于给页面按层次上色。

42．页面色彩与符号1

43．页面色彩与符号2

? ? ? ? ?

在―Display‖对话栏中，为详细的坐标刻度选项。此外还有按钮帮助设置坐标说明 文件可以用于Windows 95的其它应用程序，如Office等。

在图形页中，打开―File‖菜单，选择―Export Page‖中的―Bitmap BMP‖。 选定保存文件的路径和输入文件名。

在对话框中选择图形的大小（单位是像数，pixel，一般是96 pixels/英寸或者37.9 pixels/厘

米），选择是否黑白图形（Black and White）后确认

45．以位图(.bmp)格式文件保存图形

46．以二进制格式(.org)文件同时保存数据页和图形页 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

文件只能用Origin打开。

在数据页或者图形页中，选择―File‖菜单中的―Save As‖命令。 选定保存文件的路径和输入文件名

对谱和曲线的处理包括以下几个部分：数据曲线的平滑（去噪声）、数据谱的微分和积分、

谱的基线校正或去数据背景、求回归函数与多函数拟合达到分解和分辨数据谱的目的。

进行这些处理的命令，基本上都包括在Origin图形页的―Math‖和―Fit‖两个菜单中 实验谱或实验数据常有一定的噪声背景，在高分辨谱中更为常见。

打开图形页中的―Math‖菜单，其中的―Smoothing‖、―Adjacent Averaging‖和―FFT Filter

Smoothing‖命令分别是Savitzky-Golay方法、窗口平均法和快速傅立叶过虑器，选择其中之一。

根据软件提供的平滑参数范围，选择适当参数后确认

许多谱的测量都有一定的吸收背景，在进一步谱处理前必须先去基线或进行背景校正 把谱的基线或数据背景安排在数据页的一个Y数据列中。 在图形页的―Math‖菜单中选择―Subtract Ref Data‖命令。

对话框显示了可用的数据列，扣除数据背景按照Y = Y1 - Y2，Y1为原始谱数据列，Y2为

数据背景。因此，把左边可用数据列中的相应列选入Y1和Y2，运算符号栏中选用―-‖。确认后，图形页自动进行背景扣除并更新 51．在当前显示图形中去基线 ? ?

在当前图形页的―Math‖菜单中选择―Subtract Straight Line‖命令。

当前鼠标为―‖，在双击谱的两端要去的基线处（基线的起始与终点部位），图形页自动去基

线并更新 52．作原谱的微分谱 ? ? ?

47．谱与曲线的处理

48．曲线平滑

49．谱的基线与数据背景校正 50．已知谱的基线或数据背景

在图形页的―Data‖菜单中选定作微分谱的数据列。 在图形页的―Math‖菜单中选择―Differentiate‖命令。 微分谱显示在另一个―Deriv‖窗口中

53．求谱的积分 ? ? ? ?

在图形页的―Data‖菜单中选定求积分的谱数据列。 在图形页的―Math‖菜单中选择―Integrate‖命令。 曲线下方面积的积分结果显示在―Script Window‖中

Origin提供了许多拟合函数，如线性拟合(Linear Regression)、多项式拟合(Polynomial

Regression)、单个和多个e指数方式衰减(Exponential Decay)、e指数方式递增(Exponential Growth)、S型函数(Sigmoidal)、单个和多个Gauss函数(Gaussian)和Lorentz函数(Lorentzian)，此外用户还可以自定义拟合函数 55．曲线的拟合1 ? ?

实现这部分功能的命令都在图形页的―Fit‖菜单里。

在作非线性函数的拟合过程中，需要用户配合选择初始值，有时拟合还不会一次成功，要

反复试算，才能得到较好的结果 56．曲线的拟合2 ? ? ? ?

计算机在材料研究中的应用 量化模拟

1．量子化学方法 ? ?

54．曲线的拟合与谱分辨

在图形页的―Data‖菜单中选定拟合曲线的数据列。 根据需要，在图形页的―Fit‖菜单中选择相应的命令。 按要求选择给出拟合参数。

拟合结果的参数部分显示在―Script Window‖窗口中，同时在图形页中显示拟合的曲线（迭

加在原来的曲线上，以便比较）。

主要计算分子的电子结构 求解分子的电子薛定谔方程

? – – ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

两类应用广泛的量化方法

Hartree-Fock方法 密度泛函(DFT)方法

分子能量和几何构型； 过渡态的能量和结构； 化学键及反应的能量； 分子轨道； 偶极矩和多极矩； 原子电荷和静电势； 振动频率； 红外和拉曼光谱； 核磁性质； 极化率和超极化率；

热力学性质反应途径；模拟气相和溶液中的体系模拟基态和激发态 Gaussian

http://www.gaussian.com/ % 运行控制行 （可以多行） # 方法/基组 [控制选项] 空行 标题 空行

净电量 总自旋数 {分子构型} 单点能计算 构型优化 频率分析 研究化学反应

单点能计算是预测给定结构的分子的能量和相关性质。一般来说，该点应是势能面上的不

动点，有时也可以是为确定势能面的特征进行的势能面的扫描而进行单点能的计算，可以用这些能量绘出势能面的轮廓图。

2．量子化学的应用

3．量子化学程序

4．输入文件格式

5．通常的计算任务

6．单点能计算

7．单点能计算目的 ? ? ? ?

得到分子的基本信息

对于优化的初始构型进行收敛测试 计算非常精确的能量和其它性质 对感兴趣的体系只能进行单点能计算

8．甲醛单点能计算

? ? ? ? ? ? ? ? – – ? ? ? ? ? ? ?

# RHF/6-31G(d) Pop=Full Test Formaldehyde Single Point 0 1 C 0. 0. 0. O 0. 1.22 0. H .94 -.54 0. H -.94 -.54 0. Pop=

Reg— 输出5个最高占有和5个最低空轨道 Full —输出所有轨道

1,2-二氯-1,2-二氟乙烷构象能量和偶极矩 环己烷船式与椅式构象的能量和偶极矩 阳离子Li+与苯相互作用能 H2分子能量与核间距关系 乙烯和甲醛的分子轨道, 静电势 各类有机分子的NMR计算

构型优化是找寻极小点来预测分子体系的平衡构型。寻找极小点的方法有很多，大多数极

小化算法只能在势能面上下降，它们只能找到启始点附近的的极小点，要得到更多的极小点需要从多个起点开始。一些特殊的极小化方法可以进行上山移动找到比最近的极小点能量更低的极小点，但是没有任何一种方法能从任意一点开始找到整个势能面上的最小点。

9．关键词解释

10．其它的单点能计算应用实例

11．构型优化

12．其它的构型优化实例 ? ? ? ?

计算机在材料研究中的应用 分子模拟

1．什么是分子模拟？

氟乙烯的构型优化 起始构象对优化的影响 烯醇构象的优化 平面烯胺优化

? ? ? ? ?

一般指在原子-分子水平利用分子力学描述分子内和分子间的相互作用在统计热力学框架

下计算系统的结构与行为的方法

分子力学基于量子力学的B-O近似，将分子的势能表示为原子核位置的函数 主要包括分子动力学方法和Monte Carlo方法

忽略电子运动，采用Newton力学的方式，将能量表达成原子核坐标的解析形式而不使用

波函数或电子密度。

经验力场计算的结果有时与最高级别量子力学计算的结果同样精确，而所耗计算机的时间

很少，但分子力学当然不能提供分子中基于电子分布的性质。

2．分子力学

3．势能函数项（右图）

4．力场示例解释 ?

第一项表示成键原子间的相互作用，第二项表示分子中所有键角的贡献，用的均为谐振子

模型，第三项为扭曲势，表示键旋转时的能量变化，第四项是非键项，将计算所有处于不同分子的以及同一分子中相距至少三个键的原子之间的相互作用，在简单力场中，用库仑势描述静电相互作用，Lennard-Jones势描述van der Waals作用。 5．经验力场的意义 ? ? ? ? ?

经验力场中势能用体系中分子内和分子间的四个组成部分来描述： 能量升高与键和键角从平衡(或参考)值偏离的程度相关 有一个函数描述当键转动时能量的变化， 另外还有描述体系非键连部分的相互作用。 多数成熟的力场会有附加项

6．势能函数项举例（右图）

7．什么叫力场？ ? ?

力场= 解析式+参数 力

场

具

8．力场可以较准确地预测其用来进行参数化的性质，其它性质的预测可能不准确。 简单力场示例（下图） ? ? ? ? – – –

10．原子类型定义 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

分子中每个原子一般具有独特的化学环境，设法将其归类。AMBER力场： O 羰基O OH 羟基(醇)O O2 羧酸或磷酸O OS 酯或醚O OW 水中的O

UA United Atom force field AA All Atom force field

为保持平面构型或防止构型翻转，对二面角的变化设置energetic penalty

一般1-4或更远被视为非键，有时只有1-5才被完全视为非键作用，1-4需要休正。 为增加精度，一些力场对氢键定义了专门的势函数，有一些力场还增加了交叉项。 为减少计算，对大体系设置Cutoffs

参数化用实验数据或ab initio计算的结果进行拟合得到。如在Hyperchem中可应用量子力

学方法计算净电荷 14．常用的分子力场 ?

有可移植性。

力场是经验性的— 精度和速度的折中 分子力学计算必须定义：

原子的坐标和原子类型—决定参数的选取 分子中的C原子并不相同：

杂化形式 原子上的电荷 键

连

的

原

9．原子类型(Atom Type)

子

11．非正常二面角项

12．静电作用项： （右下图） 13．一些注意事项

AMBER

? ? ? ? ?

……

构思：研究什么现象？计算什么性质？

建模：建立具有代表性的结构模型，选择合适的方法、力场及其参数 模拟：运行平衡过程和收集数据过程

分析：计算相关的性质，与相应的实验、理论或模拟数据相比较

3．分子模拟的一般步骤

4．模拟与实验、理论（右图） 5．常用的分子模拟程序 ? – – – – – ? – – – – – 6．一个典

型的研究示例 ? ? ? ? ? ? ? ? ?

最近发表的研究：树枝状大分子PPI的构型在水溶液中的pH响应 Molecular Simulation 2010; 36(14): 1164-1172 源于一个JACS最新发表的相关论文

Liu, et al. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 2798–2799

该论文用通常的分子动力学模拟方法研究了pH条件对树枝状大分子PAMAM构型的影响，

揭示了这类分子作为药物传输(封装和释放药物)的可能性

PPI与PAMAM一样是可提供的商业化产品，它的构型对pH的情况如何呢？ 建立代表不同pH的系统(对应于分子不同的质子化)

计算回归半径Rg、溶剂可接触表面积SASA、溶剂排除体积SEV 计算树枝状大分子和水分子的密度分布

8．本研究的整体思路

商业的集成软件包

Cerius2 Materials Studio Gaussian

MOPAC HyperChem 学术分子模拟软件

GROMACS LAMMPS NAMD TINKER DL_POLY

7．为什么做这个工作？

9．研究方法与步骤

? ? ? gh 14) utral ～10) w ～5)

利用Materials Studio软件建立初始的没有质子化的分子模型(高pH)

用GROMACS程序: (1)加水、建立不同质子化的分子模型;(2)设置原子类型、建立势函数;(3)

进行分子力学优化和分子动力学模拟；(4)对轨迹进行分析、计算所需的性质

在获得优化的初始构型时使用了反复淬火和退火过程

. of PPI atoms . of waters 82 30 arge of PPI . of Cl- 10．模型系统的细节 66 46 08 04 6 6 11．建立初始的PPI模型 ?

12．力场及模拟参数 ? ?

使用opls-aa力场描述各个分子内和分子间相互作用势能

用Nose-Hoover控制温度在300 K，运行NVT MD共5 ns，发现2 ns后数据稳定，后面的

3 ns用于收集数据计算性质 13．模拟设置与运行 ? ? ? ? ? ?

主要的分子模拟设置和运行工作使用基于Linux系统的GROMACS程序 开启终端程序Terminal，在命令行中输入命令执行相应任务 pdb2gmx 产生结构和势能函数 genbox 往系统中加水 editconf 设置周期边界

grompp 预处理文件 mdrun 运行模拟

CH2NCH2CH21CH2CH22CORCH2N3CH2CH21CH2CH21CH2BRUN2构建、优化、定义― seed‖结构和―repeat unit‖结构，逐代构建、优化PPI模型

CH2CH2CH2TERNH2214．模拟结果分析

? ? ?

g_gyrate计算回归半径

g_sas计算溶剂可接触表面积SASA、溶剂排除体积SEV g_density计算原子在系统中的密度分布

15．高pH值的分子构型 中等pH值的分子构型 低pH值的分子构型

16．PPI分子的性质一览

, nm ASA, nm2 V, nm3 gh(>14) 234±0.007 0027 .53 .4 utral(～10) w(～5)

599±0.014 583±0.018 0059 0091 7.41 5.19 .2 .2 17．径向密度分布：中等pH值和低pH值的结果相似，而与高pH值的结果有明显不同；PPI分子具

有―密芯‖结构，高pH下具有明显的反折现象；在高pH值，水分子更多地位于PPI分子的边缘，而在中等pH值和低pH值水分子主要位于PPI分子的中心

18．本研究的主要结论 ? ? ? ? ? ? ?

在所有的pH条件下，PPI分子在水中接近球形，较高的pH导致更接近球形

从较高的pH到较低的pH或中性pH，PPI分子的构型发生了重要的变化，而从中性pH到

较低的pH，PPI分子的构型几乎不变

以上结果与PAMAM分子的不同，主要是因为PPI少了中间的一些极性基团 研究的重点：

一、开发复杂聚合物分子建模方法和准确的分子力场、发展新的轨迹分析方法； 二、研究聚合物的物理混合、反应、相转变等过程/现象，检验/改进相关的理论； 三、建立定量的结构-性能关系，为聚合物复合材料配方优化和分子设计服务

19．我的研究兴趣

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