采用主从式架构，客户端运行在基于 Microsoft Windows 的个人电脑上，服务器可运行在基于 Windows 或 Linux 的个人电脑、Linux IA – 64 工作站或 HP XC 集群上。支持多种操作平台，如 Windows 98、2000、NT、Unix 以及 Linux 等，灵活性高。
1. Materials Visualizer：是核心模块，提供搭建分子、晶体及高分子材料结构模型的工具，可操作、观察及分析结构模型，处理图表、表格或文本等形式的数据，并提供软件的基本环境和分析工具。
2. Discover：分子力学计算引擎，使用多种分子力学和动力学方法，以仔细推导的力场作为基础，可准确计算最低能量构型、分子体系的结构和动力学轨迹等。
3. COMPASS：支持对凝聚态材料进行原子水平模拟的功能强大的力场，是第一个由凝聚态性质以及孤立分子的各种从头算和经验数据等参数化并经验证的从头算力场。
4. Amorphous Cell：允许对复杂的无定型系统建立有代表性的模型，并对主要性质进行预测，如内聚能密度、状态方程行为、链堆砌以及局部链运动等。
5. Reflex：模拟晶体材料的 X 光、中子以及电子等多种粉末衍射图谱，帮助确定晶体结构，解析衍射数据并用于验证计算和实验结果。
6. DMol3：独特的密度泛函（DFT）量子力学程序，是唯一可模拟气相、溶液、表面及固体等过程及性质的商业化量子力学程序，应用于化学、材料、化工、固体物理等许多领域。
7. CASTEP：先进的量子力学程序，广泛应用于陶瓷、半导体、金属等多种材料，可研究晶体材料的性质、表面和表面重构的性质、电子结构、晶体的光学性质等。
电池材料研究：可用于研究电池材料的结构、性能以及电池的制备工艺。例如，通过模拟锂离子电池正负极材料的晶体结构和电子性质，预测材料的锂离子扩散系数、充放电电位等性能，为开发高性能电池材料提供理论指导。
催化剂研究：能模拟催化剂的活性、选择性以及稳定性等性质。比如研究催化剂表面的活性位点，分析反应物在催化剂表面的吸附和反应机理，优化催化剂的结构，以提高其催化性能。
高分子材料研究：可用于研究高分子材料的结构、性能以及加工工艺。如预测高分子材料的力学性能、玻璃化转变温度、相容性等，帮助设计具有特定性能的高分子材料，优化加工工艺。
纳米材料研究：可用于研究纳米材料的结构、尺寸、形貌以及性能等。例如，研究碳纳米管、石墨烯、量子点等纳米材料的电子与光学性质，为纳米材料的制备和应用提供指导。
半导体和光电材料研究：应用于能带工程、载流子迁移率、激子效应等方面。通过计算半导体材料的能带结构，设计具有合适带隙的材料，以满足光电器件的性能要求。
以下是在 Windows 系统上安装 Materials Studio 的一般步骤：
1. 安装前先关闭防火墙和杀毒软件，避免安装文件被误删。
2. 右击 Materials Studio 安装压缩包，选择解压到指定位置，不要直接双击压缩包。
3. 进入解压后的文件夹，以管理员身份运行 setup 程序。
5. 随意输入两行内容（如姓名和单位），点击 “下一步”。
6. 设置安装路径，建议只更改首字母的盘符，路径中不要包含中文，然后点击 “下一步”。
7. 连续点击 “下一步”，直到出现 “安装” 按钮，点击 “安装”。
9. 安装结束后，取消勾选 “运行 Materials Studio 2020” 等选项，点击 “完成”。
10. 在开始菜单找到 “Materials Studio 2020”，将其拖到桌面创建快捷方式。
11. 选中桌面快捷方式，右键打开文件夹所在位置，把安装包里 Crack 文件夹中的 msi2020.lic 复制到该文件路径下。
12. 以记事本格式打开 msi2020.lic，选中此电脑右击属性，复制设备名称，将 msi2020.lic 第一行的 “this_host” 替换为计算机全名，然后保存关闭（若保存遇到问题，可使用 Notepad++ 修改）。
13. 在开始菜单找到配置程序，右键选择以管理员身份运行。
15. 点击证书文件下的 “安装证书”，点击 “浏览”，打开安装目录，找到刚刚修改的 msi2020.lic，然后点击 “打开”，再点击 “安装”，最后点击 “OK”。
量子力学理论：MS 中的量子力学模块（如 DMol3、CASTEP）以定态薛定谔方程为核心，用于计算原子核满足特定排列时，核外电子的空间、能量分布。
通过求解薛定谔方程，得到体系的波函数和能量，进而计算出材料的电学性质、磁学性质、光学性质、热力学性质以及力学性质等。
密度泛函理论（DFT）是现代量子化学和固体物理研究中不可或缺的工具，也是 MS 中量子力学计算的重要基础。
DFT 的核心思想是用电子密度来替代波函数作为描述多电子系统的物理量，通过 Kohn – Sham 方程将多体问题转化为有效单体问题进行求解，大大简化了计算复杂度。
分子力学和动力学理论：分子力学基于经典力学原理，将分子视为由原子通过化学键和非键相互作用连接而成的体系，用经验力场来描述原子间的相互作用。
力场包含了大量基于实验数据或者量子力学方法的经验参数，通过计算分子的势能来优化分子的几何构型，得到最低能量状态下的分子结构。
分子动力学则是在分子力学的基础上，考虑原子的运动和时间演化，基于牛顿运动定律，通过数值解法计算多原子系统在特定条件下的运动轨迹和相互作用，从而研究材料在原子尺度上的性质和动态过程，如材料的热稳定性、扩散系数、界面特性等。
统计力学理论：统计力学主要用于将微观的分子信息与宏观的物理性质联系起来。在 MS 中，通过统计力学方法可以计算材料的热力学性质，如熵、焓、自由能等，以及分子在不同温度、压力等条件下的分布和行为。
例如，在分子动力学模拟中，通过对大量分子轨迹的统计分析，可以得到材料的宏观热力学性质和输运性质。
蒙特卡洛方法：蒙特卡洛方法是一种基于随机抽样的数值计算方法，在 MS 中用于构建聚合物、溶液等无序结构模型，研究多孔材料、固体表面的气体分子吸附，搜索分子最优构象以及晶体结构等。
该方法通过随机生成分子的构象，并根据一定的概率准则接受或拒绝这些构象，逐步搜索到体系的最低能量构象或平衡态结构。
分子结构优化：对于小分子体系，可利用 Discover 模块基于分子力学方法，通过调整分子的键长、键角、二面角等参数，使分子达到能量最低的稳定构型。
对于复杂的生物大分子，如蛋白质、核酸等，也能进行结构优化，考虑其复杂的空间构象和相互作用，为后续的功能研究提供基础。
晶体结构优化：使用 CASTEP 等模块基于密度泛函理论，对晶体材料的原子坐标和晶格参数进行优化。以半导体材料为例，通过优化可得到其准确的晶体结构，为研究其电子结构和光学性质等提供精确的结构基础。
体系总能量计算：通过量子力学方法（如 DMol3 模块）计算材料体系的总能量，这是研究材料稳定性和化学反应热效应的基础。在研究化学反应时，通过比较反应物和产物的总能量，可判断反应的吸热或放热情况。
结合能计算：对于合金、复合材料等体系，计算其结合能以评估原子或分子间的结合强度。例如，在研究金属合金时，结合能的计算有助于理解合金元素之间的相互作用，以及对合金性能的影响。
能带结构计算：利用 CASTEP 或 DMol3 模块计算材料的能带结构，了解电子在晶体中的能量分布情况。对于半导体材料，能带结构的计算可确定其禁带宽度、导带和价带的位置，从而判断材料的电学性质，为电子器件的设计提供理论依据。
态密度计算：计算材料的电子态密度，分析不同能量区间内电子态的分布情况。在研究磁性材料时，态密度的计算有助于理解材料的磁性起源和电子结构与磁性之间的关系。
吸收光谱计算：基于量子力学理论，计算材料对不同波长光的吸收情况。在研究光催化材料时，吸收光谱的计算可帮助确定材料对可见光的吸收能力，进而指导材料的设计和改性，以提高其光催化效率。
发射光谱计算：对于发光材料，计算其发射光谱，了解材料在激发态下的发光特性。这对于设计高效的发光二极管（LED）等光电器件具有重要意义，可通过调整材料的结构和成分，优化其发光性能。
分子动力学模拟：采用 Discover 模块，在给定的温度和压力条件下，模拟分子体系的运动轨迹随时间的变化。
在研究高分子材料的玻璃化转变时，通过分子动力学模拟可观察分子链的运动和构象变化，从而确定玻璃化转变温度，为材料的加工和应用提供参考。
反应分子动力学模拟：结合量子力学和分子力学方法，模拟化学反应过程中分子的动态变化。
在研究催化反应机理时，反应分子动力学模拟可直观地展示反应物在催化剂表面的吸附、反应中间体的形成以及产物的脱附等过程，有助于深入理解催化反应的本质。
表面能计算：通过 CASTEP 等模块计算材料表面的能量，了解表面的稳定性和活性。在研究纳米材料时，表面能的计算对于理解纳米颗粒的团聚现象和表面改性方法具有重要指导作用。
界面相互作用计算：对于复合材料或多相体系，计算界面处的相互作用能，评估不同相之间的结合强度。例如，在研究纤维增强复合材料时，界面相互作用的计算有助于优化纤维与基体之间的界面结合，提高复合材料的力学性能。
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