计算方法

计算材料学涉及材料的各个方面，如不同层次的结构、各种性能等等，因此，有很多相应的计算方法。在进行材料计算时，首先要根据所要计算的对象、条件、要求等因素选择适当的方法。要想做好选择，必须了解材料计算方法的分类。目前，主要有两种分类方法：一是按理论模型和方法分类，二是按材料计算的特征空间尺寸(Characteristic

space

scale)分类。材料的性能在很大程度上取决于材料的微结构，材料的用途不同，决定其性能的微结构尺度会有很大的差别。例如，对结构材料来说，影响其力学性能的结构尺度在微米以上，而对于电、光、磁等功能材料来说可能要小到纳米，甚至是电子结构。因此，计算材料学的研究对象的特征空间尺度从埃到米。时间是计算材料学的另一个重要的参量。对于不同的研究对象或计算方法，材料计算的时间尺度可从10-15秒(如分子动力学方法等)到年(如对于腐蚀、蠕变、疲劳等的模拟)。对于具有不同特征空间、时间尺度的研究对象，均有相应的材料计算方法。目前常用的计算方法包括第一原理从头计算法，分子动力学方法，蒙特卡洛方法，有限元分析等。

转贴 1 蛙眼世界(二)——对计算材料学的认识

前言：从接触计算材料学并思考计算材料学对材料研究者的影响开始，已经有差不多两个多月了，这期间看了10篇science上的评论、一个计算材料学白皮书，还有k和p帮助而接触到castep，从而对上面的那个问题有了一点认识。

任何一门学科的发展都不是封闭的，除了对自身理论体系和应用领域的完善和拓展外，还应该借鉴和吸收其他学科的研究成果和方法，从而给自身的发展带来新的活力。材料科学与工程当然也不例外，凝聚态物理和计算机强大的处理能力的引入是计算材料学产生的基础。

计算材料学以凝聚态物理为理论基础，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科。量子力学的研究对象之一是原子，而原子的排列可以决定物质的性质，因此原则上知道了就可以根据量子力学原理计算材料的各方面性质，但实际上这种计算是很难实现的。密度泛函等理论和计算机处理能力的提高使从原子尺度开始计算材料的性能有了很大可能。1999年的计算材料学白皮书举出的九个例子是(1)低温下材料磁性的第一性计算、(2)金刚石熔化的紧束缚近似分子模拟、(3)马氏体相变的原子模拟、(4)材料断裂的模拟、(5)多晶铝晶粒的超塑性滑移、(6)对称双嵌段共聚物的界面行为、(7)金属辐射损伤的原子模拟、(8)三维凝固过程中枝晶组织的模拟、(9)金属加工工艺中微观组织的变化。另外，那个白皮书的副标题是A

Scientific Revolution about to

Materialize，书中(实际上只有23页)也提到计算材料学不是evolution，而是revolution。

计算材料学不只可以对材料的性能进行预测，从对研究人员的要求来讲，也正改变着材料研究的方式。材料研究的一个主要内容是合成符合在特定环境下具有特殊性能的材料，以前的研究方法是“炒菜式”(by

trial and

error)的，材料研究者的方法更多的是靠的直觉和经验，然后在实验中试一试，如果达不到要求，就再试，一直按这个循环直至“疲劳”(取自“做了材料疲劳实验，材料没疲劳人先疲劳了”)或达到预期目的。计算材料学可以计算特定环境下材料结构和性能的对应关系，从而对材料的工艺提供指导，炒菜的方式需要在这种design方式不成熟的方面继续发挥作用。 材料研究的方式正在有炒菜向design发生转变。作为一个学材料的，该怎么做呢？是继续炒菜还是design或者两个都做？估计传统的研究方式还会在一个很长的时间内(估计20年左右)保持重要的地位(有一部分要归功于那些所谓的权威)，但是之后呢，炒菜在某些情况下是必须的，但它会花费很多时间和money，也许某些人会感觉这个不合算。而design的人们呢，他们的理论基础好，明白计算的原理和不同情况下的计算方法，借助计算机，就可以根据实际情况计算了。J说过很多做凝聚态的都转到材料了，原因是凝聚态不好做而材料好做且他们有优势。

那么，答案就是作材料的要更物理，也就是作材料的要抓住这个研究方式带来的机遇，加强理论基础，将研究方式转变为炒菜+design，等到计算材料学比较成熟了，就采用design+炒菜。有了这样的经历，就比较容易成为大老板(有比较多的学生，一半炒菜，一半design)了。同样的理由，做物理的也要更材料。

然而，作材料的工科生怎么办？选择继续炒菜当然可以，估计生活水平应该不错，但可能有时候会比较郁闷。要做大老板，有一点小困难，那就是自信，敢不敢相信自己能够赶上或超过那些理科材料或凝聚态的，如果有足够的信心，加上勤奋，做大大老板是很可能的事。对工科生来说，由于design的出现，材料可能并不像以前那样具有挑战性了，如果想要挑战和自我实现，我觉得change

field比较明智，因为design太强了，对材料的那个方向都会有影响。

建议亲自读一读Computational Materials

Science(1999，由http://www.qiji.cn/eprint/abs/374.html下载)，做出自己的判断，免得我误人子弟。

最后，大学只是一个体验学习过程的过程，专业只是学习的内容，不要被它限制得什么都不敢做。还有一篇中国工程院外籍院士何毓琦的博文《改变研究方向与领域》。

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Why Materials Science?

为什么念材料专业？有些同学抱怨材料不好找工作，没前途。。。我的看法正相反，我认为材料是最有前途的专业。前些天在youtube上看到一段对MIT材料系的教授Jeffery

Grossman的采访。当被问到为什么选择研究材料学的时候，他说了一段话，我深以为然。大意就是：材料学发展到今天到了一个前所未有的黄金时期，因为在我们所处的时代有三方面的机遇恰好汇聚在了一起。一是人类对于物质的操纵能力达到了前所未有的高度，很多新的材料制备方法层出不穷，从而使得人类能够精确控制材料的纳米结构甚至单个原子，这是以前所没有的。二是凝聚态理论和计算机模拟的能力得到了长足的进步，现在很多材料性质已经可以在实际制备表征之前就由强大的并行计算集群预测出来，从而使材料研究从传统的试错法一步步走向理性的“设计”。第三点，也是最重要的一点，当今人类面临的重大挑战，能源、信息、环境。。其核心解决方案就是更好的材料。我们需要更好的锂电池和太阳能电池来发展可再生能源，需要更快的晶体管来延续摩尔定律，需要更轻更强的材料来武装汽车和飞机。。你永远也不会缺少有趣且重要的问题去解决。三个要素(Precise

control of matter, theory and computation, critical problems facing

humankind) 的结合，决定了材料学的重要地位。而且比纯物理研究更好的是，你知道你的研究会make an impact in

people’s

lives。比如我现在做的Mg合金和Mg电池方面的研究，每当我想到Mg合金将来可能会被应用到每家每户的汽车上的时候就特别起劲，因为你知道自己在make

a difference。

数学大师Hilbert说过，当一个学科有源源不绝的问题被提出时，正象征该门学科的蓬勃发展。相反的，如果没有问题被提出，便代表学科的衰微没落。材料科学与工程有源源不断的问题，这不仅是人类社会发展到今天的一个机遇，更是由其自身的学科属性所决定的。凝聚态物理，或者材料科学，是一门emergence(译为“层展”或“涌现”)的学问。凝聚态宗师Philip

Anderson在1972年的Science上的文章”more is

different”就阐释了这个道理，即基本粒子构成的巨大复杂的集聚体及具体行为并不能依据少数粒子的性质做简单外推就可以理解。正相反，复杂性的每一个层次中都会出现全新的性质。材料本身就是多尺度的，原子->(分子)->介观微结构->宏观性质，每一个层次性质的改变都会影响材料的最终性能。况且材料的性质本身也是极其复杂和多面的，广义上讲有力热光电磁性能，细分的话更是变幻无穷，单拿力学性质来说还分强度、塑性、韧性、可加工性、疲劳强度等等。。还有不同性质之间的相互作用。而且材料本身细微的成分，每一个细小的加工工艺参数，服役条件的差别都会对其性能造成巨大影响。可以说，材料学是复杂性的科学，可研究的问题几乎是无穷无尽的。可是这种复杂性带来了新的问题，如何去理性的根据人类的需要去设计材料？这就引出了下一个疑问，为什么要做材料计算？

Why Computation?

大一的时候我对什么是有价值的科学研究还是懵懵懂懂。拜中国基础教育极强的还原论风格所赐，我曾经幼稚地认为一切结论都能够从基本原理一步步推导得出，实验只是用来验证推导的结果。。。可是大二进实验室一看，根本不是这回事儿，材料体系太复杂了，大部分实验的性质就是对一个体系改变成分或者工艺参数，表征一下性质，再循环往复。。。trial

and

error的性质很强。而老师们所用的理论也是极其唯像的，几乎不具有任何预测性。难道这就是真正的材料学研究吗？直到大二下碰到了恩师杜勇老师，他把我引入了材料计算这个领域，我才知道有这么一个领域是专门通过理论计算和模拟来解释和预测材料科学里的现象。我一下就喜欢上了这个领域，不仅因为做材料计算可以学很多东西(材料，物理，化学，数学，计算机编程)而且我隐约感到如果人类有朝一日真的能够按照自己的意愿来设计材料，那将带来不可估量的影响。

之后，我继续在杜勇老师的课题组学习，并相继阅读了Prof. Gregory

Olson在Science的千禧年特别刊上发表的”Design a new material

world”综述和2008年美国国家工程院发表的ICME (Integrated Computational Materials

Engineering，集成计算材料工程)

的白皮书，大师们描绘的美好蓝图更坚定了我投身材料计算这个领域的想法。而且我想去这个领域领先的美国去学习。为此我查遍了美国所有材料系做计算的老师，发现Penn

State的Zi-Kui

Liu老师的课题组是我最向往的，不仅因为他的研究和我的背景最match，更是因为他有着将材料计算集成应用到实际材料生产中的vision，即整合第一性原理计算，相图计算，相场模拟，有限元计算等方法共同指导材料设计