瞿詩瑜，丁　秦，趙亞楠

(陜西廣播電視大學(xué) 人事處，陜西　西安　710068)

【理工園地】

材料計(jì)算與模擬設(shè)計(jì)研究進(jìn)展淺析*

瞿詩瑜1，丁秦2，趙亞楠3

(陜西廣播電視大學(xué) 人事處，陜西西安710068)

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

材料計(jì)算與設(shè)計(jì)始于上世紀(jì)五十年代末六十年代初。至70年代美國用材料計(jì)算設(shè)計(jì)方法開發(fā)了鎳基超合金，之后材料計(jì)算設(shè)計(jì)在理論及應(yīng)用上都取得了重大的進(jìn)展。至今有機(jī)材料、無機(jī)材料、金屬材料、超導(dǎo)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(shè)計(jì)的首部專著《新材料開發(fā)和材料設(shè)計(jì)》，標(biāo)志著材料計(jì)算設(shè)計(jì)工作進(jìn)入了一個(gè)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(chǔ)研究項(xiàng)目，正式列入了國家計(jì)劃[1]。

1.材料設(shè)計(jì)

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

材料設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)對象和所涉及的空間尺寸可劃分為三個(gè)層次[2]：微觀設(shè)計(jì)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(zhì)，不考慮單個(gè)原子、分子的行為；工程設(shè)計(jì)層次，對應(yīng)于宏觀材料尺度，涉及到大塊材料的加工及性能的設(shè)計(jì)研究。這三個(gè)層次研究的對象、方法和任務(wù)都是不同的。微觀層次又可以分為幾個(gè)范疇，并同連續(xù)模型層次連接起來。材料計(jì)算設(shè)計(jì)主要是利用人工智能、計(jì)算機(jī)模擬、模式識別、數(shù)據(jù)庫和知識庫等技術(shù)，使人們能將物理化學(xué)理論和龐大的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)溝通起來，用歸納和演繹相結(jié)合的方式對新材料的研制做出決策，為材料設(shè)計(jì)的實(shí)施提供行之有效的方法和技術(shù)。

2.材料計(jì)算設(shè)計(jì)的幾種主要途徑

主要包括：材料數(shù)據(jù)庫和知識庫技術(shù)[3]、材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)[4]、材料設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)模擬[5]。

2.1材料數(shù)據(jù)庫和知識庫技術(shù)。 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(nèi)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(yàn)條件以及材料的應(yīng)用與評價(jià)等。知識庫主要是材料成分、組織、工藝和性能間的關(guān)系以及材料學(xué)科的有關(guān)理論成果。實(shí)際上知識庫就是材料計(jì)算與設(shè)計(jì)中的一系列理論模型，用于定量的計(jì)算或半定量描述的關(guān)系式的總成。知識庫中存儲的是相關(guān)的規(guī)則、規(guī)律數(shù)據(jù)，通過數(shù)理模型的推理、運(yùn)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(jìn)行材料成分和工藝控制參量的計(jì)算設(shè)計(jì)。利用數(shù)據(jù)庫和知識庫能實(shí)現(xiàn)材料性能的預(yù)測功能和設(shè)計(jì)功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)的雙向性[3]。

2.2材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)。 材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)是指具有相當(dāng)數(shù)量的與材料有關(guān)的各種背景知識，并能運(yùn)用這些知識解決材料設(shè)計(jì)中有關(guān)問題的計(jì)算機(jī)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(dǎo)。傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)主要有下列幾個(gè)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(jié)構(gòu)和性能關(guān)系。在對材料以物理、化學(xué)性能已經(jīng)了解的前提下，有可能對材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系進(jìn)性計(jì)算機(jī)模擬或用相關(guān)的理論進(jìn)行運(yùn)算，以預(yù)期材料性能和制備方案[4]。

2.3材料計(jì)算模擬。 利用計(jì)算機(jī)對真實(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)、提供模擬結(jié)果，指導(dǎo)新材料研究，是材料設(shè)計(jì)的有效方法之一。材料設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)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(jié)構(gòu)、性能、制備和使用等。計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)是一種根據(jù)實(shí)際的體系在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。通過將計(jì)算機(jī)的模擬結(jié)果與實(shí)際體系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性，也可以檢驗(yàn)出模型導(dǎo)出的解析理論所作的簡化近似是否成功，還可以為現(xiàn)實(shí)模型和實(shí)驗(yàn)室中無法實(shí)現(xiàn)的探索模型做詳細(xì)的預(yù)測并提供方法。在許多情況下，用計(jì)算機(jī)模擬比進(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗(yàn)要快要省，因此可根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果預(yù)測有希望的實(shí)驗(yàn)方案，以提高實(shí)驗(yàn)效率[5]。

3.材料計(jì)算與設(shè)計(jì)國內(nèi)外研究進(jìn)展分析

最近幾年的研究成果顯示，材料計(jì)算方法在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域主要包括：①通過材料計(jì)算技術(shù)揭示材料結(jié)構(gòu)的形成原理，②預(yù)測新材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，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(nèi)，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(yàn)規(guī)則和熱力學(xué)模型[6]，并用第一性原理計(jì)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(yīng)的判據(jù)，并用分子動力學(xué)方法揭示其原子運(yùn)動機(jī)制。闡明了離子注入形成金屬氮化物的規(guī)律，發(fā)展出強(qiáng)流金屬離子注入制備金屬硅化物的新技術(shù)。

在國外，1989年美國的若干個(gè)專業(yè)委員會在調(diào)查分析美國8個(gè)工業(yè)部門(汽車、電子學(xué)、化學(xué)、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(xué)與工程》報(bào)告，對材料的計(jì)算機(jī)分析與模擬設(shè)計(jì)做了比較充分的論述。該報(bào)告認(rèn)為，現(xiàn)代理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，使得材料科學(xué)與工程的性質(zhì)正在發(fā)生變化。2006年美國紐約州立大學(xué)石溪分校(SBU)的Oganov教授等人預(yù)測一種新的具有透明、超高硬“超硬石墨”結(jié)構(gòu)，并將其命名為“M-碳”；并于2012年Oganov教授采用分子動力學(xué)模擬的方法證實(shí)了此前預(yù)測的超硬“M-碳”結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完美吻合，證實(shí)了“超硬石墨”結(jié)構(gòu)正是早前他提出的“M-碳”結(jié)構(gòu)。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(yán)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(xué)Stephen Jenkins率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)通過CASTEP(電子結(jié)構(gòu)方法)，探究了黃鐵礦的催化活性。研究人員重點(diǎn)關(guān)注了黃鐵礦與空氣污染物NOx之間的反應(yīng)[7]。

近10年來，以材料設(shè)計(jì)為目的計(jì)算材料科學(xué)已成為材料科學(xué)發(fā)展的前沿?zé)狳c(diǎn)。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究相比，材料的計(jì)算模擬具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，如：(1)計(jì)算機(jī)可以模擬進(jìn)行現(xiàn)實(shí)中不能或很難實(shí)現(xiàn)的極端條件下的實(shí)驗(yàn)，如材料在極端壓力、溫度條件下的相變；(2)計(jì)算機(jī)可以模擬目前實(shí)驗(yàn)條件下無法進(jìn)行的原子及以下尺度的研究；(3)計(jì)算機(jī)模擬可以驗(yàn)證已有理論和根據(jù)模擬結(jié)果修正或完善已有理論，也可以從模擬研究結(jié)果出發(fā)，指導(dǎo)、改善實(shí)際實(shí)驗(yàn)。(4)科學(xué)測試儀器的進(jìn)步，提高了定量測量的水平，并提供了豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為理論設(shè)計(jì)提供了條件。

4.展望

計(jì)算機(jī)模擬已成為除理論分析和實(shí)驗(yàn)研究以外解決材料科學(xué)中實(shí)際問題的第三大并行的研究手段，它們相互補(bǔ)充，共同促進(jìn)了材料科學(xué)與工程的發(fā)展，使人們對于材料顯微結(jié)構(gòu)的尺度與層次有了更深的認(rèn)識，并在一些新的尺度與層次上取得了突破性的進(jìn)展。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，材料計(jì)算模擬已實(shí)現(xiàn)多核并行計(jì)算，材料微結(jié)構(gòu)的計(jì)算也日益完善，材料計(jì)算與設(shè)計(jì)目前正沿著理論計(jì)算——預(yù)測材料組分、結(jié)構(gòu)與性能；理論設(shè)計(jì)——訂制新材料；按照生產(chǎn)要求——設(shè)計(jì)出新的材料制備與加工方法的方向發(fā)展。

材料計(jì)算設(shè)計(jì)在材料研究中的作用是巨大的。作為一門新興學(xué)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(gè)時(shí)間和空間尺度，其發(fā)展是必然的。當(dāng)然，作為一門交叉學(xué)科，其發(fā)展還受到了計(jì)算機(jī)計(jì)算能力、應(yīng)用數(shù)學(xué)、算法語言以及一些其它相關(guān)領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)理論的限制，需要其他領(lǐng)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(xué)和整個(gè)人類社會的進(jìn)步做出積極的努力。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 鄧斌.功能材料結(jié)構(gòu)與性能若干問題的計(jì)算機(jī)模擬研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，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.

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[6] 程向前.稀土金屬硅化物的強(qiáng)流離子注入合成及反應(yīng)機(jī)制的研究[D].北京:清華大學(xué)，2002.

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

[責(zé)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(xué)人事處助教，工學(xué)碩士。2、丁秦(1983—)，陜西省西安市人，陜西廣播電視大學(xué)人事處助理工程師，法學(xué)學(xué)士。3、趙亞楠(1984—)，女，山東省聊城市人，陜西廣播電視大學(xué)工程管理教學(xué)部講師，工學(xué)碩士。

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

[中圖分類號]TB305

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1008-4649(2016)02-0090-03