计算材料学白皮书简介

Computational Material Science: A Scientific Revolution about to Materialize-White Paper Materials Component Strategic Simulation Initiative (March5,1999)

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本篇白皮书是美国能源部（DOE）所作的关于发展计算材料科学的战略计划报告。全文共分七个部分，除综述外分别从材料在社会和能源计划中的重要性、计算材料科学的机遇、相关科学介绍、该计划的准备工作、计算材料科学中的一些实例以及交叉作用前景等方面作了深入详细的阐述。

通读全篇文章，可以看出美国对于材料尤其是计算材料科学的重视。为了整个计划的发展，成立了计算材料科学中心（CCMS：Center for Computational Materials Science）,同时受到了DOE-Office of Science(OSC),Office of Basic Energy Science (BES),Division of Materials Science(DMS)等多个国家部门的资助，大量的工作还受到众多实验室、大学和研究中心的帮助和支持。该计划的实施有利于加速探索新材料的进程，缩短研制周期，降低科研成本，优化重要工程材料的生产工艺，解决迫在眉睫的社会问题和能源危机，造福于整个社会。

材料不仅仅是在我们身边存在，新材料则往往在新技术的发展中占据有重要的角色。材料的性能不仅依赖于化学元素组成，而且更与材料的不同层次结构密切相关，因此材料学家们致力于通过合成以及制备手段控制材料在不同尺度层次的结构来研究和制备新材料。各种新的实验仪器、设备不断涌现在一定范围内为实验研究提供了新手段，使得在宏观尺度层次上的研究较为成熟。在低尺度层次上，量子力学的发展为对物质原子间相互作用的研究打开了大门，同时为材料性能和制备过程的设计和控制提供了基础，但是在实际上由于研究系统的高度复杂性，在处理量子力学的薛定谔方程时是非常困难的，通常只能解决非常简单的情况。在中间尺度的研究正是当前的热点，其中最大的挑战就是需要解开不同时间和空间尺度层次之间的关系以及其与材料的性质和效能的关系，大尺度模型与模拟则让这个挑战的实施成为可能。目前，控制材料在不

同层次的结构还仅仅停留在直观或者实验室中trial and error的过程之中，这种耗时的工作不会被替代，但正逐渐被计算机辅助研究所补充。

用数学语言进行计算机模拟，用统一的观点和方式处理涵盖材料从工程结构（Macroscopic-scale）到只有几十个原子大小（Nanometer-scale）的微结构问题，跨越范围巨大的空间尺度和时间尺度，深入研究材料的结构、组成及其在各物理、化学过程中微观变化机制以达到材料成份、结构及制备参数的最佳组合，以材料设计为目的计算材料科学已成为材料科学发展的前沿热点。与传统的实验研究相比，材料的计算模拟具有一系列的优点，如：（1）计算机可以模拟进行现实中不能或很难实现的极端条件下的实验，如材料在极端压力、温度条件下的相变；（2）计算机可以模拟目前实验条件下无法进行的原子及以下尺度的研究；（3）计算机模拟可以验证已有理论和根据模拟结果修正或完善已有理论，也可以从模拟研究结果出发，指导、改善实际实验。因此，计算机模拟已成为除理论分析和实验研究以外解决材料科学中实际问题的第三大并行的研究手段，它们相互补充，共同促进了材料科学与工程的发展，使人们对于材料显微结构的尺度与层次有了更深的认识，并在一些新的尺度与层次上取得了突破性的进展。对于新材料的研究方法更是发生了革命性的变革——跳出了传统的“炒菜法”(Trial-Error) 而发展为基于自然科学原理的方法。材料计算模拟最基本的目标是能够预测实际材料的性能。为了实现这一长远目标，必须能够在广阔的时间和空间尺度上真实的模拟出其各种物理现象，这些现象常常严格的依赖于特定的尺度。材料不同尺度之间具有一定的结构关系，一个尺度上优秀的模拟结果可以很好的用于相邻尺度的模拟与计算中，与实验相比这虽然要容易实现得多，但在具体模拟计算上仍有很大难度。在白皮书中给出了在多尺度下精确预测材料的各种现象和性能的5种模拟方式，它们是实现这一目标的先决条件。这5种方式分别是：发现复杂行为的新关系和新范例、为数学模型的测试提供基准、为其它数学模型的直接计算输入参数、通过与实验比较获得基本有效的模型、预测在发现复合材料制备过程和表现行为中的难点，

其中第一种是目前最常用的，最后一种则是本质上的最终目标。结合这5种方式，计算模拟才能成为真正具有意义的革命性工具，发挥其在材料研究领域中的重大贡献。

材料的大规模计算模拟是建立在完整的数学模型以及先进的计算能力的基础之上的。密度泛函理论（DFT：Density Functional Theory）为材料的第一性原理计算（the first principle calculation）提供了基础，其它一些理论和数学算法的发展也为近年来计算模拟的快速发展做出了重要的贡献。计算工具也是进行大规模模拟的关键，如实际材料中原子的数目是巨大的（约1023），要计算如此多的原子间相互作用是困难的；有时需要捕捉非常快的原子振动需要建立非常短的时间模型，这也是相当困难的。近年来，随着计算机水平的发展，计算速度和存储能力大大增强，可以在模拟中更进一步接近所要求的，相信随着计算机水平的进一步发展，在模拟的规模和精度上会有更大的提高。

计算材料科学在材料研究中的作用是巨大的，白皮书中所给出的9个实例正是从不同尺度上的模拟来解决不同的问题来说明了其发展前景。作为一门新兴学科，作为联系微观（纳观）世界与宏观世界的桥梁，它跨越了多个时间和空间尺度，其发展是必然的。当然，作为一门交叉学科，其发展还受到了计算机计算能力、应用数学、算法语言以及一些其它相关领域经验理论的限制，需要其他领域给与注入新的血液和活力，需要多方面的通力合作才能更好的发挥其效能，为材料科学和整个人类社会的进步做出积极的努力。

总之，计算材料学是一门蓬勃发展的学科，其重大意义和深远影响将会给人类社会带来的新的发展高潮。