Materials Studio軟件在材料物理教學(xué)與科研中的應(yīng)用

楊華哲

(中國醫(yī)科大學(xué)公共基礎(chǔ)學(xué)院生物物理教研室，遼寧 沈陽 110122)

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Materials Studio軟件在材料物理教學(xué)與科研中的應(yīng)用

楊華哲

(中國醫(yī)科大學(xué)公共基礎(chǔ)學(xué)院生物物理教研室，遼寧 沈陽 110122)

如何在以教學(xué)為主的工作部門開展學(xué)術(shù)研究是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。筆者結(jié)合在材料物理教學(xué)和科研中的實踐，通過研究商用計算軟件在材料物理教學(xué)與科研中的應(yīng)用及優(yōu)勢，嘗試促進(jìn)教學(xué)-科研轉(zhuǎn)化。通過將不同材料的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入Materials Studio軟件中相對應(yīng)模塊，構(gòu)建晶體可視化模型， 用于顯示材料的微觀結(jié)構(gòu)和研究其熱力學(xué)穩(wěn)定性。通過可視化界面操作，有利于學(xué)生直觀了解材料晶體結(jié)構(gòu)對其物理及化學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律，提高學(xué)生興趣；同時，通過該軟件理論計算功能可以輔助相關(guān)科研實驗，并為實驗結(jié)果提供理論依據(jù)。將可視化操作的計算機(jī)模擬軟件與材料物理教學(xué)和科研相結(jié)合，為以教學(xué)為主相關(guān)科室開展教學(xué)學(xué)術(shù)提供了參考。

材料物理；計算機(jī)模擬；教學(xué)學(xué)術(shù)

許多大學(xué)在對教師的考核中仍存在著重學(xué)術(shù)，輕教學(xué)的問題，尤其在教員職稱評定中，論文的產(chǎn)出和科研項目的承擔(dān)等學(xué)術(shù)成果才是最重要的權(quán)重，而教學(xué)業(yè)績更多地被認(rèn)為是無關(guān)輕重的“附屬品”。這無疑會打擊教師教學(xué)積極性，影響學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量。針對這些問題，美國教育家、卡內(nèi)基教學(xué)促進(jìn)基金會主席厄內(nèi)斯特·博耶提出“教學(xué)學(xué)術(shù)”的概念，確立了在教學(xué)過程中所形成的知識的學(xué)術(shù)地位[1]。筆者在之前的論文中曾經(jīng)提及我國醫(yī)科院校的物理教師艱難的發(fā)展環(huán)境，并結(jié)合自身經(jīng)驗就如何促進(jìn)物理課教學(xué)與科研結(jié)合提出了一些建議[2]。本文將具體結(jié)合筆者在物理教學(xué)和科研中的實例以說明目前相關(guān)同行協(xié)調(diào)教學(xué)和科研工作中遇到的一些問題以及筆者的探索和感悟。

目前，在我校，很多同事為提高物理課授課的教學(xué)質(zhì)量，傾注了大量精力準(zhǔn)備教學(xué)課件，比如通過自學(xué)“Materials Studio”“Mathematica”“Ansys”等軟件建立可視化物理模型，將復(fù)雜的物理理論形象化，在教學(xué)中顯著地提高了教學(xué)效果(簡化部分繁瑣的理論推導(dǎo)，縮短課堂的教學(xué)時間，提高了學(xué)生的興趣)。但與此同時，大部分教師苦于沒有足夠時間與精力開展科研項目，而且學(xué)校的物理學(xué)相關(guān)科研平臺尚不完善，影響了科研工作的開展。同時，學(xué)校的績效及職稱評定等考核基本都是基于論文與項目等量化指標(biāo)，而一線教師在教學(xué)中的相關(guān)貢獻(xiàn)無法量化體現(xiàn)，極大地影響了教師的工作熱情。這種現(xiàn)象在醫(yī)科院校的普通基礎(chǔ)課教師中具有普遍性。因此，能否在教學(xué)中提煉科學(xué)問題并開展相關(guān)理論研究，以便在有限的時間及精力條件下既能保質(zhì)保量完成教學(xué)工作，又能解決一些科研問題，滿足學(xué)校的考核要求(論文、基金等)，對于基礎(chǔ)課教師具有十分重要的意義。

本文通過筆者在教學(xué)和科研的實例，詳細(xì)介紹了如何利用計算機(jī)模擬軟件Materials Studio建立材料微觀結(jié)構(gòu)模型，幫助學(xué)生更快更好地理解復(fù)雜的物理知識，促進(jìn)了課堂教學(xué)效果；在此基礎(chǔ)上通過計算相關(guān)材料的熱力學(xué)穩(wěn)定性，為實驗結(jié)果提供理論依據(jù)，發(fā)表了相關(guān)學(xué)術(shù)論文[3-5]，促進(jìn)了教學(xué)成果向科研成果的轉(zhuǎn)化。

1 利用Materials Studio軟件建立模型

在醫(yī)學(xué)物理課的授課過程中，很多章節(jié)會涉及到材料學(xué)的相關(guān)知識。由于其專業(yè)性較強(qiáng)，且理論比較抽象，醫(yī)學(xué)生很難理解。尤其是材料的微觀結(jié)構(gòu)，成為很多醫(yī)學(xué)生的“夢魘”。利用計算機(jī)模擬軟件Materials Studio，可以在可視化的操作界面中建立相關(guān)材料的晶體模型，利于學(xué)生的理解。現(xiàn)介紹Materials Studio軟件及筆者建模實例。

Materials Studio是美國Accelrys公司開發(fā)的一個采用服務(wù)器/客戶機(jī)模式的材料模擬和建模軟件。其操作界面如圖1所示。Materials Studio是一個模塊化的環(huán)境。每種模塊提供了不同的結(jié)構(gòu)確定、性質(zhì)預(yù)測或模擬方法，便于用戶選擇符合要求的模塊與Materials Visualizer組成一個無縫的環(huán)境。目前，Materials Studio已成為材料學(xué)、物理學(xué)與化學(xué)中模型建立和材料熱力學(xué)穩(wěn)定性分析的重要軟件，在國內(nèi)外兄弟院校中被廣泛采用?，F(xiàn)就筆者在醫(yī)用鎂合金材料方面的建模實例進(jìn)行講解。

圖1 Materials Studio軟件的操作界面

在材料物理的授課過程中，醫(yī)用鎂合金作為可降解生物材料具有十分重要的意義。在講到鎂合金降解性能及生物相容性相關(guān)內(nèi)容時涉及到鎂合金基體及第二相的相關(guān)性質(zhì)。由于第二相含量少，難以分析其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，因此在教材甚至論文中難以找到相關(guān)的圖片，增加了學(xué)生理解的難度。在教學(xué)過程中，筆者選擇目前常見的Mg-Zn-Zr合金、Mg-Ca合金、Mg-Sr合金和Mg-Al-Zn合金作為對象，并根據(jù)參考文獻(xiàn)中查詢到的相關(guān)數(shù)據(jù)選擇通過模型展示如下的第二相和基體相：MgZn2、Mg2Ca、Mg2Sr、Mg17Al12和 Mg基體。上述研究對象的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，首先對于單獨(dú)的第二相和Mg基體進(jìn)行建模。在建模過程中由Materials Studio軟件輸入第二相及基體相的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)并對晶胞數(shù)量進(jìn)行設(shè)定。此外，考慮到鎂合金作為醫(yī)用材料所處的環(huán)境，建立了水分子模型。為了在教學(xué)中展示直觀簡單的模型，同時為后續(xù)的科研簡化計算過程，選擇一個單胞作為研究對象，所獲得的圖形如圖2所示。

表1 第二相和鎂晶體的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)[3]

圖2 鎂合金中鎂基體和第二相的晶體模型[3]： (a) Mg matrix; (b) MgZn2; (c) Mg2Ca; (d) Mg2Sr and (e) Mg17Al12

在教學(xué)過程中，學(xué)生雖然無法完全理解點陣群等抽象的概念，但由于該晶體模型的建立全程均可視化，可以任意調(diào)整位置和旋轉(zhuǎn)，有利于學(xué)生更直觀地了解相關(guān)結(jié)構(gòu)，為理解材料的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)奠定了基礎(chǔ)，并提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)質(zhì)量。類似的方法同樣采用在電磁學(xué)的授課中：在講解超導(dǎo)材料時，介紹了可以采用溶膠-凝膠方法制備Bi系超導(dǎo)材料，同時采用Materials Studio軟件對Bi系超導(dǎo)材料的前驅(qū)絡(luò)合物進(jìn)行建模[5]，對于學(xué)生理解如何從前驅(qū)物獲得超導(dǎo)體的過程奠定了基礎(chǔ)，相關(guān)教學(xué)工作獲得了理想的結(jié)果。

此外，上述模型的建立對于科研也具有十分重要的意義：由于上述模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜且在不同環(huán)境中容易發(fā)生相變，因此其熱力學(xué)穩(wěn)定性很難通過實驗進(jìn)行研究，是科研中的難點。因此，筆者嘗試將教學(xué)與科研結(jié)合起來，以建立的模型為基礎(chǔ)開展熱力學(xué)穩(wěn)定性的相關(guān)研究。Materials Studio軟件內(nèi)置多種計算模塊，只要綜合考慮此前建立的模型和實驗中具體的環(huán)境，利用不同模塊的計算功能，可以開展相關(guān)模型的熱力學(xué)穩(wěn)定性研究并獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，極大地促進(jìn)科研進(jìn)展并獲得相關(guān)成果。同時，該研究不受實驗科學(xué)中的設(shè)備限制，對于科研實驗平臺不完善的部門具有借鑒意義。受到該靈感的啟發(fā)，筆者針對教學(xué)中自己已經(jīng)建立的物理模型開展了如下的計算工作。

2 利用Materials Studio軟件進(jìn)行熱力學(xué)計算

在上述的可視化模型的基礎(chǔ)上，以鎂合金第二相的熱力學(xué)穩(wěn)定性計算為例，開展了相關(guān)學(xué)術(shù)研究：對鎂合金不同組分的熱力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行了計算和分析，并結(jié)合筆者在醫(yī)用鎂合金降解特性的實驗研究數(shù)據(jù)[4]，研究醫(yī)用鎂合金的降解機(jī)制，研究思路如圖3所示，具體過程及結(jié)果如下：

圖3 熱力學(xué)計算的研究流程

對于已經(jīng)建立的晶體模型，利用Materials Studio 軟件中的DMol3模塊計算不同模型的熱力學(xué)參數(shù)。DMol3模塊為密度泛函(DFT)量子力學(xué)程序，其在商業(yè)化量子力學(xué)程序中是唯一可以模擬氣相、液相、固相及表面的程序，目前已廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、材料學(xué)及化學(xué)等諸多領(lǐng)域。其計算能力強(qiáng)大且支持并行計算，其操作界面如圖4所示。

圖4 Dmol3模塊的操作界面

本研究嘗試對鎂基體及第二相進(jìn)行建模，并采用DMol3模塊對設(shè)計的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化和能量計算，并與實驗結(jié)果進(jìn)行比較：對于已經(jīng)建好的模型，首先通過“Geometric Optimization”(即幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化)模塊對不同材料的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，通過“Energy”(即能量)模塊對優(yōu)化后的模型能量進(jìn)行計算，獲得相應(yīng)的各相的總能量?？紤]到每種相包含的原子數(shù)量不同，計算各相能量與所含原子數(shù)的比例，獲得平均每個原子對應(yīng)的能量值，即可表征該相的熱力學(xué)穩(wěn)定性。在第二相中，MgZn2相的平均能量值最低，Mg2Ca相和Mg2Sr相的平均能量相差不大，而Mg17Al12相的平均能量最高。而對于鎂基體，其能量高于所有的第二相。因此，在無外界條件的干擾下，第二相的熱力學(xué)穩(wěn)定性均高于鎂基體。上述研究為鎂合金作為可降解植入材料的研究奠定了基礎(chǔ)。

結(jié)合上述研究，我們利用實驗合成了Mg17Al12材料，并通過電化學(xué)工作站和浸泡實驗測試了其耐蝕性能[4]。研究結(jié)果表明Mg17Al12的耐蝕性能顯著高于鎂基體，該結(jié)果與熱力學(xué)計算結(jié)果相一致。因此，利用Materials Studio軟件進(jìn)行物理建模和計算可以為實驗提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支持。此外，筆者對于超導(dǎo)體Bi-2212的配合物前驅(qū)體的熱力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行了類似的計算，研究了不同凝膠工藝影響超導(dǎo)體的相純度的相關(guān)機(jī)制[5]。該研究解決了實驗中由于前驅(qū)體在溶液中易發(fā)生相變而無法測試其穩(wěn)定性的問題，為進(jìn)一步工作奠定了基礎(chǔ)。

因此，本文以教學(xué)中的模型為基礎(chǔ)而開展科研，能夠在一定程度上利用教學(xué)研究時間為科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)，不僅為解決教學(xué)為主的教師科研時間不足問題提供了一條可行的方案，而且為在教學(xué)工作中提煉相關(guān)科研問題提供了一個參考。

3 結(jié)語

采用計算機(jī)模擬軟件Materials Studio可以在可視化操作界面建立不同材料的晶體結(jié)構(gòu)模型，可以為學(xué)生建立形象、直觀的圖像，利于學(xué)生理解相關(guān)物理理論。在此基礎(chǔ)上，通過Dmol3模塊對于不同材料的熱力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行研究，提高學(xué)術(shù)科研能力。值得指出的是，本次教學(xué)與科研的嘗試是建立在Materials Studio商用軟件平臺進(jìn)行建模和計算，軟件平臺版權(quán)是中國科學(xué)院武漢數(shù)學(xué)物理研究所提供的。因此，無論開展傳統(tǒng)意義上的研究型學(xué)術(shù)還是教學(xué)學(xué)術(shù)，學(xué)術(shù)合作也是必不可少的。筆者也希望兄弟院校能夠通過建立公共計算平臺，開展相關(guān)合作，最大程度地利用計算軟件資源。

[1] Boyer, E. L. Scholarship reconsidered: priorities of the professoriate. Princeton, NJ: Carnegie Foundation for the Advancement of Teaching, 1990.

[2] 楊華哲， 趙里昂，洪洋.中國醫(yī)科大學(xué)物理課教學(xué)改革的思考與實踐[J].物理與工程，2016, 26(1): 83-87. Yang Huazhe, Zhao Liang, Hong Yang. Review and Practice of Teaching Reform on Physics in China Medical School[J]. Physics and Engineering, 2014, 26(1): 83-87. (in Chinese)

[3] Yang Huazhe, Liu Chen, Wan Peng, et al. Study of Second Phase in Bioabsorbable Magnesium alloys: Phase Stability Evaluation via Dmol3 Calculation[J]. APL Materials, 2013, 1(5): 052104-1-052104-7.

[4] Liu Chen, Yang Huazhe, Wan Peng, et al. Study on Biodegradation of the Second Phase Mg17Al12in Mg-Al-Zn Alloys: In vitro Experiment and Thermodynamic Calculation[J]. Materials Science and Engineering: C, 2014, 35(1): 1-7.

[5] Yang Huazhe, M. Babar Shahzad, Yu Xiaoming, et al. Influence mechanism of secondary gel technique on Bi-2212 superconducting phase: Gel model simulation and verification[J]. Materials & Design, 2016, 99: 115-119.

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APPLICATIONS OF MATERIALS STUDIO SOFTWARE IN MATERIAL PHYSICS TEACHING AND RESEARCH

Yang Huazhe

(Department of Biophysics,School of Fundamental Sciences, China Medical University, Shenyang Liaoning 110122)

It is a challenge to carry out scientific research in a department based on teaching. According to the teaching and research practice of material physics, we tried to promote the teaching-research transformation by studying the application and advantage of the commercial simulation software in material physics teaching and research. Crystal parameters of different materials were input into the relative module of Materials Studio software to build up the visual models. Then the microstructure of the materials could be displayed and the thermodynamic parameters of the crystal could be calculated. The interests of students in physics were stimulated in the process of teaching practice due to the visualized operation interface. In addition, the computer simulation can assist and provide theoretical explanations to the experimental results. Furthermore, teaching and scientific research can be combined through the simulation software, which provides feasible strategies to the scholarship of teaching in departments mainly based on teaching.

material physics; computer simulation; scholarship of teaching

2016-10-30

國家自然科學(xué)基金(編號：81500897)；國家留學(xué)基金(編號：201408210385)；遼寧省教育廳一般項目(編號：L2013285)。

楊華哲，男，副教授，主要從事物理學(xué)的科研與教學(xué)研究，hzyang@cmu.edu.cn。

楊華哲. Materials Studio軟件在材料物理教學(xué)與科研中的應(yīng)用[J]. 物理與工程，2017，27(3)：52-55,62.