PDF《材料的理性设计与计算模拟》

第1期中国科学基金85? 双清论坛 专题: 理论化学家视角中的仪器创制? 材料的理性设计与计算模拟 武晓君 杨金龙? ( 中国科学技术大学化学与材料科学学院, 合肥

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2 9 ? E m a i l : j l y a n g @u s t c .

e d u . c n [ 摘要] 材料的理性设计与计算模拟是基于计算机开展的 实验 研究.通过材料的理性设计与 计算模拟, 可以在原子层次上揭示材料的结构与性能之间的联系, 预测新材料.这也促进了材料科 学研究模式从 经验指导实验 向 理性设计与计算模拟、 实验验证 转变.材料的理性设计与计算 模拟的核心问题是发展先进的电子结构计算方法与软件, 包括可以处理复杂材料体系的快速、 可靠 的方法与软件, 以及材料 大数据 驱动的材料理性设计. [ 关键词] 理性设计;

电子结构计算;

材料大数据;

材料基因组 在材料研究中, 为什么需要理性设计与计算模 拟? 或者说, 材料的理性设计与计算模拟与传统研 究有什么不同, 给材料科学研究带来什么机遇? 它 的发展趋势以及需要重点关注和优先解决的核心科 学与技术是什么? 众所周知, 发展先进材料是科技进步的基础和 高新技术 发展的先导, 是提高国 家竞争力的关键. 长期以来, 材料科学领域依赖于实验与经验模型理 解不同材料的性质, 采用 经验指导实验 的模式, 沿着 加工―结构―性质―性能 链优化材料性能、 探 索新材料, 研发周期长、 成本高.缩短新材料的研发 周期、 降低研发成本, 最终实现从特定性能出发 逆向 材料的结构、 组分与加工方案, 是材料科学研究 的终极目标.实现这一目标需要材料的理性设计与 计算模拟. 数千年来, 人们对于材料的理解从宏观走向微 观, 经历了 经验 和 模型 的科学范式.例如, 热力 学定律就是一个具有广泛意义的理论模型.但是随 着时间推移, 针对材料中的许多科学问题, 理论模型 日益复杂, 无法直接分析求解.近几十年来, 计算机 的快速发展使得人们可以基于 理论模型 计算模拟 复杂的现实世界, 是材料科学研究的新范式. 作为材料科学研究的第三个范式, 材料的理性 设计与计算模拟可以看作是利用计算机开展的 实验 研究(TheoreticalE x p e r i m e n t ) .通过准备 样品 ( 构建模型) , 发展先进的 实验仪器 ( 理论方法、 计算方法与程序等) , 获得原始 实验数据 ( 计算结 果) .与传统的实验研究相比较, 材料的理性设计与 计算模拟不仅可以利用理论模型对计算数据进行处 理、 归纳与分析, 获得可观测的物理量, 而且还可以 通过以第一性原理为核心基础的电子结构计算, 透 过表象在原子层次上揭示材料结构/物性之间的内 在联系, 探索微观机理.正是这一差别使得我们可 以通过计算模拟研究预测材料的结构与性能, 并在 原子层次上建立材料的结构与物性的联系, 进一步 针对特定性能设计新材料.材料的研究模式从传统 的 经验指导实验 向 理性设计与计算模拟、 实验验 证 转变, 缩短新材料的研发周期. 此外, 不可忽视的事实是计算机越来越便宜, 单 位计算能力越来越强;

相反, 新材料探索对实验技术 的要求越来越高, 实验成本急速增加;