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来源：MS杨站长收集编辑：浦华系统
在做化学反应的时候，我们需要手动搭建反应物和产物的结构，然后用TS search的功能进行过渡态的计算；但是对于多步反应来说，就需要设定很多的中间态结构，中间态的结构决定了反应的方向与机理；这就需要我们仔细的判断研究，所以中间态结构的设定是非常关键。FlexTS是一个用于反应路径计算的模块，包括最小能量路径、过渡状态和多步反应。它使用一系列方法来近似最小能量路径，然后详细计算过渡状态，并识别每个过渡状态对应的最小值。在多步骤反应的情况下，这个过程会重复，直到找到连接反应初始状态和最终状态的途径。FlexTS结果中结构文件可用Dmol3动力学计算中生成Cantera模块的输入参数。实现更加复杂反应机理研究，例如反应敏感性分析，明确反应过程中最核心的步骤，让研究者能更更好地把握多路径、多步骤复杂反应的核心。将化学反应由原子分子层面简单、单一的机理研究向反应容器中整体的、宏观的化学工程方面转化。Cantera主要模拟功能有：连续搅拌槽反应器(CSTR)、一维火焰(Flame 1D)、塞流式反应器、温度递升脱附法(TPD)；应用于发动机爆燃、点火、反应釜内反应等领域。下面我们来介绍一下Materials studio中的一个新的功能FlexTS（MS2022及以上版本），该功能在Dmol3和DFTB+模块中，如图1所示；下面我们来看一下这个模块功能的使用，用萘菁异构体的转化作为本次操作的研究对象，首先用画笔构建这个分子，如图2所示，化学式为C48H26N8，一共包含82个原子，在界面上进行确认，如图3所示。然后利用DFTB+模块对该结构进行优化，优化后的结构是一个平面结构，可以进一步对模型结构进行检查确认；再新建一个结构文档，将优化好的结构复制过去，一个作为反应物一个作为产物，结构的转变为中间N原子连接的H原子位置的转变；如图4所示；然后利用reaction preview功能，利用反应物与产物形成一个轨迹文件；其中动态过程如图5所示；下面我们利用FlexTS模块计算结构转变的路径能量，并且设置MEP（Minimum Energy Path）参数；打开DFTB+模块计算面板，设置下面的计算参数。如图6所示。下面我们简单看一下MEP中Full Path的基本原理过程，如图7所示；1. 用NEB方法计算反应物到产物的轨迹文件，在反应物和产物中间插入若干个中间结构，这样为了获得大概的能量路径；2. 根据找到的能量最高的结构进行过渡态的优化，得到一个过渡态结构；3. 从过渡态结构向正反应和逆反应两个方向出发，找到对应的“反应物”和“产物”；4. 最后将整个反应过程都联系起来，形成反应过程能量最小的路径。计算完成后打开* Connected Path.xcd的文件，可以看到整个异构体转变的能量曲线图，如图8所示；通过这个图我们可以看出有两个能量峰，而常规我们计算过渡态的过程能量变化都是一个能量峰。
从上面的图中我们可以判断出，该分子的异构型转变是分成两步实现的。打开* Results.std文件，其中有两行并且有对应的结构信息，如图9所示；点击表格里对应的结构，如图10所示；从中可以看出，通过MEP计算明确了这个分子异构体的转化是分成两步实现的。并且上面的结构可以用CASTEP和Dmol3模块中的反应动力学功能做进一步研究。获得不同温度下的反应速率常数、平衡常数等参数。如图11、12所示。打开轨迹文件*Connected Path.xtd，可以看到整个过程的转变过程，如图13；通过轨迹可以看出该异构体的转变分成两步实现。打开* Results.std文件中第一行结构文件，然后用Dmol3做过渡态的进一步优化，打开Dmol3模块计算面板，然后按照图14参数设置。最后对DFTB+ 和Dmol3计算的数值进行比较，如图15所示，可以发现DFT计算的能量要更低。图15. DFTB+（蓝色）和DFT（红色）计算结果对比通过以上的计算我们对FlexTS有了新的认识，对于化学反应问题的研究可以通过DFTB+快速获取初始有效路径，然后用DFT进一步得到精准的反应能量。下面看一下在团簇上水分子分解的过渡态研究，如图16所示：利用过渡态搜索得到的能量曲线图如图17所示，反应物到产物过程中有一个过渡态。通过MEP计算之后的能量图如图18所示，动态轨迹图如图19所示；结合结构和能量曲线图可以发现，从我们所设定的反应物和产物中间还有能量更低的结构；分解后的H原子在三角位更稳定；从三角位到顶位其实是一个扩散的过程，对这个过程又进一步进行研究，搭建H原子吸附在顶位和三角位的模型，然后进行TS search；得到图20所示。其中三角位能量更低，从而明确水分子分解后H优先吸附在三角位上；而我们设定的H吸附在顶位上可以看成是吸附在三角位之后扩散到顶位上。通过以上研究可以发现，虽然我们设定的路径可以做一个完整的过渡态计算，但是中间还有能量更低的吸附构象，通过TS search不能发现；而通过MEP可以轻松获得这个中间态。