材料科普：“炒菜式”材料学与“计算”材料学

来源：今日新材料

在传统的科学研究中采用的方法往往与“炒菜”模式类似。试验中处理的模型可类比炒菜用的锅，而物理思路和理论分析算法看作是主料，其他各种参数的调节和细节的处理大致就是调料了。

计算材料学是什么？

所谓计算材料学，是一门综合了材料科学与计算机科学且正处于快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能的计算机模拟与设计的学科。

计算材料学可以利用不同的模型和计算方法，从不同尺度与时域研究材料的结构演化及其与性能的相互关系，从而更好地理解和设计新材料。具体的计算方法很多，从空间尺度的不同，分为微观尺度、介观尺度和宏观尺度。

微观尺度，利用密度泛函理论，可以通过电子态密度、巴德电荷以及局域电荷密度等。另外，也可以选择分子动力学和蒙特卡罗方法来寻找原子的迁移路径和势垒。

介观尺度，主要有元胞自动机法，以晶粒生长为例，元胞自动机的模拟过程主要有确定形核、选择时间步长、计算温度场、计算溶质场、计算界面元胞的生长动力学、确定胞状态、捕捉邻胞、计算曲率等过程组成。宏观尺度，主要是有限元分析方法。

计算材料学在化学、材料等学科中运用非常广泛，常见量子化学模拟软件包括：VASP、Materials Studio、Gaussian等。这些软件主要针对分子层面的微观问题的模拟计算，在给定分子结果的前提下可以计算材料的光谱性质、电子结构、分子不同构象的能级等等。

计算材料学的发展趋势

计算材料学的一个重要发展方向是材料基因组计划，其研究的关键是实现材料研发的“高通量”，即并发式完成“一批”而非“一个”材料样品的计算模拟、制备和表征，实现系统的筛选和优化材料，从而加快材料从发现到应用的过程。这些原先难以通过实验完成的工作，现在可以很方便地使用超级计算机来完成。

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