材料計算與模擬設計研究進展淺析*

瞿詩瑜，丁　秦，趙亞楠

(陜西廣播電視大學 人事處，陜西　西安　710068)

【理工園地】

材料計算與模擬設計研究進展淺析*

瞿詩瑜1，丁秦2，趙亞楠3

(陜西廣播電視大學 人事處，陜西西安710068)

[摘要]本文從材料設計的概念出發(fā)，對材料計算設計的研究方式進行了分析，闡述了材料計算設計的重要性。根據(jù)目前的研究進展歸納了材料計算設計的幾種主要途徑；淺析了目前國內外材料計算設計的研究進展情況，最后基于目前材料計算設計的應用現(xiàn)狀，對其發(fā)展和前景進行了展望。[關鍵詞]材料設計；材料計算

材料計算與設計始于上世紀五十年代末六十年代初。至70年代美國用材料計算設計方法開發(fā)了鎳基超合金，之后材料計算設計在理論及應用上都取得了重大的進展。至今有機材料、無機材料、金屬材料、超導材料、核材料和各種特殊性能材料等各方面都有所涉及。1985年三島良績出版了材料設計的首部專著《新材料開發(fā)和材料設計》，標志著材料計算設計工作進入了一個新的階段。我國雖然發(fā)展比較滯后，但也很重視。2000年作為重大基礎研究項目，正式列入了國家計劃[1]。

1.材料設計

材料設計(materials design)，是指通過計算來預測新材料的組分、結構與性能，或通過理論設計來“定制”具有某種特性的新材料，按需求來設計最佳的制備和加工方法。這當然是人們所追求的長遠目標，并非目前就已經(jīng)充分實現(xiàn)的。盡管如此，由于凝聚態(tài)物理學、量子化學等相關學科的深入發(fā)展，以及計算機能力的提高，使得材料研制過程中理論和計算的作用變得不可缺少。1995年美國國家科學研究委員會編寫的《材料科學的計算與理論技術》報告其中說：“materials by design”(設計材料)一詞正在變?yōu)楝F(xiàn)實，在材料研制與應用過程中理論的份量不斷增長，研究人員目前還處在應用理論和計算來“設計”新材料的初期階段。

材料設計按照設計對象和所涉及的空間尺寸可劃分為三個層次[2]：微觀設計層次，空間尺度約1nm量級，是原子和電子層次；連續(xù)模型層次，典型尺度在約1um量級，材料看成為連續(xù)介質，不考慮單個原子、分子的行為；工程設計層次，對應于宏觀材料尺度，涉及到大塊材料的加工及性能的設計研究。這三個層次研究的對象、方法和任務都是不同的。微觀層次又可以分為幾個范疇，并同連續(xù)模型層次連接起來。材料計算設計主要是利用人工智能、計算機模擬、模式識別、數(shù)據(jù)庫和知識庫等技術，使人們能將物理化學理論和龐大的實驗數(shù)據(jù)溝通起來，用歸納和演繹相結合的方式對新材料的研制做出決策，為材料設計的實施提供行之有效的方法和技術。

2.材料計算設計的幾種主要途徑

主要包括：材料數(shù)據(jù)庫和知識庫技術[3]、材料設計專家系統(tǒng)[4]、材料設計中的計算機模擬[5]。

2.1材料數(shù)據(jù)庫和知識庫技術。 材料數(shù)據(jù)庫和知識庫是一種存取材料知識和性能數(shù)據(jù)為主要內容的數(shù)值數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫包括材料的性能及一些重要參量的數(shù)據(jù)，如材料的成分、處理、試驗條件以及材料的應用與評價等。知識庫主要是材料成分、組織、工藝和性能間的關系以及材料學科的有關理論成果。實際上知識庫就是材料計算與設計中的一系列理論模型，用于定量的計算或半定量描述的關系式的總成。知識庫中存儲的是相關的規(guī)則、規(guī)律數(shù)據(jù)，通過數(shù)理模型的推理、運算，以一定的可信度給出所需的性能等數(shù)據(jù)；也可利用知識庫進行材料成分和工藝控制參量的計算設計。利用數(shù)據(jù)庫和知識庫能實現(xiàn)材料性能的預測功能和設計功能，達到了設計的雙向性[3]。

2.2材料設計專家系統(tǒng)。 材料設計專家系統(tǒng)是指具有相當數(shù)量的與材料有關的各種背景知識，并能運用這些知識解決材料設計中有關問題的計算機程序系統(tǒng)。在一定范圍與一定程度上，它能為一些特定性能材料的制備提供指導。傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)主要有下列幾個模塊；優(yōu)化模塊，集成化模塊，知識獲取模塊。材料研究的核心問題之一是材料的結構和性能關系。在對材料以物理、化學性能已經(jīng)了解的前提下，有可能對材料的結構與性能關系進性計算機模擬或用相關的理論進行運算，以預期材料性能和制備方案[4]。

2.3材料計算模擬。 利用計算機對真實的系統(tǒng)進行模擬實驗、提供模擬結果，指導新材料研究，是材料設計的有效方法之一。材料設計中的計算機模擬對象遍及材料研制到使用的全部過程，包括材料的合成、微觀結構、性能、制備和使用等。計算機模擬設計是一種根據(jù)實際的體系在計算機上進行模擬實驗。通過將計算機的模擬結果與實際體系的實驗數(shù)據(jù)進行比較，可以檢驗模型的準確性，也可以檢驗出模型導出的解析理論所作的簡化近似是否成功，還可以為現(xiàn)實模型和實驗室中無法實現(xiàn)的探索模型做詳細的預測并提供方法。在許多情況下，用計算機模擬比進行真實的實驗要快要省，因此可根據(jù)計算機模擬結果預測有希望的實驗方案，以提高實驗效率[5]。

3.材料計算與設計國內外研究進展分析

最近幾年的研究成果顯示，材料計算方法在實際應用領域主要包括：①通過材料計算技術揭示材料結構的形成原理，②預測新材料的結構和性質，③研究材料在極端環(huán)境下的使役行為，④開發(fā)新材料制造工藝等。

在國內，柳百新院士提出了離子束混合在二元金屬系統(tǒng)中形成非晶態(tài)合金的經(jīng)驗規(guī)則和熱力學模型[6]，并用第一性原理計算論證了亞穩(wěn)合金相的穩(wěn)定性。提出金屬多層膜中非晶化反應的判據(jù)，并用分子動力學方法揭示其原子運動機制。闡明了離子注入形成金屬氮化物的規(guī)律，發(fā)展出強流金屬離子注入制備金屬硅化物的新技術。

在國外，1989年美國的若干個專業(yè)委員會在調查分析美國8個工業(yè)部門(汽車、電子學、化學、能源、生物材料、航天、金屬和通信)對材料的需求之后，編寫出版了《90年代的材料科學與工程》報告，對材料的計算機分析與模擬設計做了比較充分的論述。該報告認為，現(xiàn)代理論和計算機技術的進步，使得材料科學與工程的性質正在發(fā)生變化。2006年美國紐約州立大學石溪分校(SBU)的Oganov教授等人預測一種新的具有透明、超高硬“超硬石墨”結構，并將其命名為“M-碳”；并于2012年Oganov教授采用分子動力學模擬的方法證實了此前預測的超硬“M-碳”結構及其性質，并與實驗結果完美吻合，證實了“超硬石墨”結構正是早前他提出的“M-碳”結構。又如隨著歐洲對大氣中氮氧化物(NOx)的濃度提出了越來越嚴格的立法限制，這使尋找新型、可有效捕獲、可分解NOx的催化劑越來越重要。2012年劍橋大學Stephen Jenkins率領的研究團隊通過CASTEP(電子結構方法)，探究了黃鐵礦的催化活性。研究人員重點關注了黃鐵礦與空氣污染物NOx之間的反應[7]。

近10年來，以材料設計為目的計算材料科學已成為材料科學發(fā)展的前沿熱點。與傳統(tǒng)的實驗研究相比，材料的計算模擬具有一系列的優(yōu)點，如：(1)計算機可以模擬進行現(xiàn)實中不能或很難實現(xiàn)的極端條件下的實驗，如材料在極端壓力、溫度條件下的相變；(2)計算機可以模擬目前實驗條件下無法進行的原子及以下尺度的研究；(3)計算機模擬可以驗證已有理論和根據(jù)模擬結果修正或完善已有理論，也可以從模擬研究結果出發(fā)，指導、改善實際實驗。(4)科學測試儀器的進步，提高了定量測量的水平，并提供了豐富的實驗數(shù)據(jù)，為理論設計提供了條件。

4.展望

計算機模擬已成為除理論分析和實驗研究以外解決材料科學中實際問題的第三大并行的研究手段，它們相互補充，共同促進了材料科學與工程的發(fā)展，使人們對于材料顯微結構的尺度與層次有了更深的認識，并在一些新的尺度與層次上取得了突破性的進展。

隨著計算機技術的發(fā)展，材料計算模擬已實現(xiàn)多核并行計算，材料微結構的計算也日益完善，材料計算與設計目前正沿著理論計算——預測材料組分、結構與性能；理論設計——訂制新材料；按照生產(chǎn)要求——設計出新的材料制備與加工方法的方向發(fā)展。

材料計算設計在材料研究中的作用是巨大的。作為一門新興學科，作為聯(lián)系微觀(納觀)世界與宏觀世界的橋梁，它跨越了多個時間和空間尺度，其發(fā)展是必然的。當然，作為一門交叉學科，其發(fā)展還受到了計算機計算能力、應用數(shù)學、算法語言以及一些其它相關領域經(jīng)驗理論的限制，需要其他領域給與注入新的血液和活力，需要多方面的通力合作才能更好的發(fā)揮其效能，為材料科學和整個人類社會的進步做出積極的努力。

[參考文獻]

[1] 陳艷娜. 基于TTF衍生物分子材料與分子電子器件研究[D].成都：電子科技大學，2009.

[2] 鄧斌.功能材料結構與性能若干問題的計算機模擬研究[D].上海：復旦大學，2006.

[3] 李霞，蘇航，陳曉玲，楊才福，謝剛. 材料數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國冶金，2007(6):4-8.

[4] 呂允文，夏宗寧，賴樹綱.材料設計專家系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡的應用[J].材料導報，1994(6):1-4.

[5] 徐瑞.材料科學中數(shù)值模擬與計算[M].黑龍江:哈爾濱工業(yè)大學出版社，2005.

[6] 程向前.稀土金屬硅化物的強流離子注入合成及反應機制的研究[D].北京:清華大學，2002.

[7] 黃健，馮瑞華，姜山，王桂芳.國外材料計算與模擬研究進展分析[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2013(10):48-51.

[責任編輯王愛萍]

Analysis and Statement of The Research and Development of Calculation and Simulation on Materials Design

Qu Shiyu ， Ding Qin ， Zhao Yanan

(Shaanxi Radio and TV University， Xi’an 710068)

Abstract：This paper has stated researching methods of computational design of materials and the factor of importance based on the concept of materials design. Several main methods of computational materials design have been summed up based on current researching development. A brief study on present international situation of materials design by calculating and simulating has also been shown in this paper. Then an expectation of development and utility in the future has been put forward with the study of present research on the computational materials design.

Key words：Materials design，Materials calculation and Simulation

[收稿日期]2016-03-16

[作者簡介]1、瞿詩瑜(1988—)，湖北省荊州市監(jiān)利縣人，陜西廣播電視大學人事處助教，工學碩士。2、丁秦(1983—)，陜西省西安市人，陜西廣播電視大學人事處助理工程師，法學學士。3、趙亞楠(1984—)，女，山東省聊城市人，陜西廣播電視大學工程管理教學部講師，工學碩士。

*基金項目：本文系陜西廣播電視大學2015年度校級課題“材料計算與模擬設計方法研究”(15D-08-B12)，2014年校內重點課題“基于移動平臺的微課程設計研究(14D-04-A03)”階段性成果之一。

[中圖分類號]TB305

[文獻標識碼]A

[文章編號]1008-4649(2016)02-0090-03