計算材料學

隨着科學技術的發展，科學研究的體系越來越複雜，傳統的解析推導方法已不敷應用，甚至無能為力。計算機科學的發展和計算機運算能力的不斷提高，為複雜體系的研究提供了新的手段。以材料這樣一個典型的複雜體系為研究對象的新學科— 計算材料科學也應運而生，並迅速得到發展。

對於複雜體系，由於理論研究往往不能給出解析表達，或者即使能夠給出解析表達也常常不能求解，因此也就失去了對實驗研究的指導意義。反之，失去了理論指導的實驗研究，也只能在原有的工作基礎上，根據科研人員的經驗理解、分析與判斷，在各種工藝條件下反覆摸索，反覆實驗。之所以造成理論研究和實驗研究相互脱節的根本原因並不在於理論和實驗本身，而是由於人們為了追求能夠全面而準確地反映客觀實際，使理論模型變得十分複雜，無法直接解析求解。

計算材料科學的發展無論是在理論上還是在實驗上都使原有的材料研究手段得以極大的改觀。它不僅使理論研究從解析推導的束縛中解脱出來，而且使實驗研究方法得到根本的改革，使其建立在更加客觀的基礎上，更有利於從實驗現象中揭示客觀規律，證實客觀規律。因此，計算材料科學是材料研究領域理論研究與實驗研究的橋樑，不僅為理論研究提供了新途徑，而且使實驗研究進入了一個新的階段。

研究體系的複雜性表現在多個方面，從低自由度體系轉變到多維自由度體系，從標量體系擴展到矢量、張量系統，從線性系統到非線性系統的研究都使解析方法失去了原有的威力。因此，藉助於計算機進行計算與模擬恰恰成為唯一可能的途徑。複雜性是科學發展的必然結果，計算材料科學的產生和發展也是必然趨勢，它對一些重要科學問題的圓滿解決，充分説明了計算材料科學的重要作用和現實意義。

計算材料科學涉及的學科領域極廣，並滲透到諸多方面。計算材料科學除數值計算以外，還有許多的應用領域，其中計算機模擬是一個潛力巨大的發展方向。

計算材料學主要包括兩個方面的內容：一方面是計算模擬，即從實驗數據出發，通過建立數學模型及數值計算，模擬實際過程；另一方面是材料的計算機設計，即直接通過理論模型和計算，預測或設計材料結構與性能。前者使材料研究不是停留在實驗結果和定性的討論上，而是使特定材料體系的實驗結果上升為一般的、定量的理論，後者則使材料的研究與開發更具方向性、前瞻性，有助於原始性創新，可以大大提高研究效率。因此，計算材料學是連接材料學理論與實驗的橋樑。

材料的組成、結構、性能、服役性能是材料研究的四大要素，傳統的材料研究以實驗室研究為主，是一門實驗科學。但是，隨着對材料性能的要求不斷的提高，材料學研究對象的空間尺度在不斷變小，只對微米級的顯微結構進行研究不能揭示材料性能的本質，納米結構、原子像已成為材料研究的內容，對功能材料甚至要研究到電子層次。因此，材料研究越來越依賴於高端的測試技術，研究難度和成本也越來越高。另外，服役性能在材料研究中越來越受到重視，服役性能的研究就是要研究材料與服役環境的相互作用及其對材料性能的影響。隨着材料應用環境的日益複雜化，材料服役性能的實驗室研究也變得越來越困難。總之，僅僅依靠實驗室的實驗來進行材料研究已難以滿足現代新材料研究和發展的要求。然而計算機模擬技術可以根據有關的基本理論，在計算機虛擬環境下從微觀、介觀、宏觀尺度對材料進行多層次研究，也可以模擬超高温、超高壓等極端環境下的材料服役性能，模擬材料在服役條件下的性能演變規律、失效機理，進而實現材料服役性能的改善和材料設計。因此，在現代材料學領域中，計算機“實驗”已成為與實驗室的實驗具有同樣重要地位的研究手段，而且隨着計算材料學的不斷髮展，它的作用會越來越大。

計算材料學的發展是與計算機科學與技術的迅猛發展密切相關的。從前，即便使用大型計算機也極為困難的一些材料計算，如材料的量子力學計算等，現在使用微機就能夠完成，由此可以預見，將來計算材料學必將有更加迅速的發展。另外，隨着計算材料學的不斷進步與成熟，材料的計算機模擬與設計已不僅僅是材料物理以及材料計算理論學家的熱門研究課題，更將成為一般材料研究人員的一個重要研究工具。由於模型與算法的成熟，通用軟件的出現，使得材料計算的廣泛應用成為現實。因此，計算材料學基礎知識的掌握已成為現代材料工作者必備的技能之一。

計算材料學涉及材料的各個方面，如不同層次的結構、各種性能等等，因此，有很多相應的計算方法。在進行材料計算時，首先要根據所要計算的對象、條件、要求等因素選擇適當的方法。要想做好選擇，必須瞭解材料計算方法的分類。目前，主要有兩種分類方法：一是按理論模型和方法分類，二是按材料計算的特徵空間尺寸(Characteristic space scale)分類。材料的性能在很大程度上取決於材料的微結構，材料的用途不同，決定其性能的微結構尺度會有很大的差別。例如，對結構材料來説，影響其力學性能的結構尺度在微米以上，而對於電、光、磁等功能材料來説可能要小到納米，甚至是電子結構。因此，計算材料學的研究對象的特徵空間尺度從埃到米。時間是計算材料學的另一個重要的參量。對於不同的研究對象或計算方法，材料計算的時間尺度可從10-15秒（如分子動力學方法等）到年（如對於腐蝕、蠕變、疲勞等的模擬）。對於具有不同特徵空間、時間尺度的研究對象，均有相應的材料計算方法。

目前常用的計算方法包括第一性原理從頭計算法，分子動力學方法，蒙特卡洛方法，元胞自動機方法、相場法、幾何拓撲模型方法、有限元分析等。

計算材料學是集材料學、物理學、計算機科學、數學、化學等於一體的學科，通過該課程的講述和學習，讓學生了解計算機在材料科學與工程領域的應用狀況，能夠利用計算機進行必要的文獻查詢、數據處理，初步瞭解計算機模擬的概念，從微觀、介觀到宏觀材料相關性質的理論預測方法和利用計算機輔助設計材料成分與工藝的基本知識。