材料计算与模拟设计研究进展浅析*

瞿诗瑜，丁　秦，赵亚楠

(陕西广播电视大学 人事处，陕西　西安　710068)

【理工园地】

材料计算与模拟设计研究进展浅析*

瞿诗瑜1，丁秦2，赵亚楠3

(陕西广播电视大学 人事处，陕西西安710068)

[摘要]本文从材料设计的概念出发，对材料计算设计的研究方式进行了分析，阐述了材料计算设计的重要性。根据目前的研究进展归纳了材料计算设计的几种主要途径；浅析了目前国内外材料计算设计的研究进展情况，最后基于目前材料计算设计的应用现状，对其发展和前景进行了展望。[关键词]材料设计；材料计算

材料计算与设计始于上世纪五十年代末六十年代初。至70年代美国用材料计算设计方法开发了镍基超合金，之后材料计算设计在理论及应用上都取得了重大的进展。至今有机材料、无机材料、金属材料、超导材料、核材料和各种特殊性能材料等各方面都有所涉及。1985年三岛良绩出版了材料设计的首部专著《新材料开发和材料设计》，标志着材料计算设计工作进入了一个新的阶段。我国虽然发展比较滞后，但也很重视。2000年作为重大基础研究项目，正式列入了国家计划[1]。

1.材料设计

材料设计(materials design)，是指通过计算来预测新材料的组分、结构与性能，或通过理论设计来“定制”具有某种特性的新材料，按需求来设计最佳的制备和加工方法。这当然是人们所追求的长远目标，并非目前就已经充分实现的。尽管如此，由于凝聚态物理学、量子化学等相关学科的深入发展，以及计算机能力的提高，使得材料研制过程中理论和计算的作用变得不可缺少。1995年美国国家科学研究委员会编写的《材料科学的计算与理论技术》报告其中说：“materials by design”(设计材料)一词正在变为现实，在材料研制与应用过程中理论的份量不断增长，研究人员目前还处在应用理论和计算来“设计”新材料的初期阶段。

材料设计按照设计对象和所涉及的空间尺寸可划分为三个层次[2]：微观设计层次，空间尺度约1nm量级，是原子和电子层次；连续模型层次，典型尺度在约1um量级，材料看成为连续介质，不考虑单个原子、分子的行为；工程设计层次，对应于宏观材料尺度，涉及到大块材料的加工及性能的设计研究。这三个层次研究的对象、方法和任务都是不同的。微观层次又可以分为几个范畴，并同连续模型层次连接起来。材料计算设计主要是利用人工智能、计算机模拟、模式识别、数据库和知识库等技术，使人们能将物理化学理论和庞大的实验数据沟通起来，用归纳和演绎相结合的方式对新材料的研制做出决策，为材料设计的实施提供行之有效的方法和技术。

2.材料计算设计的几种主要途径

主要包括：材料数据库和知识库技术[3]、材料设计专家系统[4]、材料设计中的计算机模拟[5]。

2.1材料数据库和知识库技术。 材料数据库和知识库是一种存取材料知识和性能数据为主要内容的数值数据库。数据库包括材料的性能及一些重要参量的数据，如材料的成分、处理、试验条件以及材料的应用与评价等。知识库主要是材料成分、组织、工艺和性能间的关系以及材料学科的有关理论成果。实际上知识库就是材料计算与设计中的一系列理论模型，用于定量的计算或半定量描述的关系式的总成。知识库中存储的是相关的规则、规律数据，通过数理模型的推理、运算，以一定的可信度给出所需的性能等数据；也可利用知识库进行材料成分和工艺控制参量的计算设计。利用数据库和知识库能实现材料性能的预测功能和设计功能，达到了设计的双向性[3]。

2.2材料设计专家系统。 材料设计专家系统是指具有相当数量的与材料有关的各种背景知识，并能运用这些知识解决材料设计中有关问题的计算机程序系统。在一定范围与一定程度上，它能为一些特定性能材料的制备提供指导。传统的专家系统主要有下列几个模块；优化模块，集成化模块，知识获取模块。材料研究的核心问题之一是材料的结构和性能关系。在对材料以物理、化学性能已经了解的前提下，有可能对材料的结构与性能关系进性计算机模拟或用相关的理论进行运算，以预期材料性能和制备方案[4]。

2.3材料计算模拟。 利用计算机对真实的系统进行模拟实验、提供模拟结果，指导新材料研究，是材料设计的有效方法之一。材料设计中的计算机模拟对象遍及材料研制到使用的全部过程，包括材料的合成、微观结构、性能、制备和使用等。计算机模拟设计是一种根据实际的体系在计算机上进行模拟实验。通过将计算机的模拟结果与实际体系的实验数据进行比较，可以检验模型的准确性，也可以检验出模型导出的解析理论所作的简化近似是否成功，还可以为现实模型和实验室中无法实现的探索模型做详细的预测并提供方法。在许多情况下，用计算机模拟比进行真实的实验要快要省，因此可根据计算机模拟结果预测有希望的实验方案，以提高实验效率[5]。

3.材料计算与设计国内外研究进展分析

最近几年的研究成果显示，材料计算方法在实际应用领域主要包括：①通过材料计算技术揭示材料结构的形成原理，②预测新材料的结构和性质，③研究材料在极端环境下的使役行为，④开发新材料制造工艺等。

在国内，柳百新院士提出了离子束混合在二元金属系统中形成非晶态合金的经验规则和热力学模型[6]，并用第一性原理计算论证了亚稳合金相的稳定性。提出金属多层膜中非晶化反应的判据，并用分子动力学方法揭示其原子运动机制。阐明了离子注入形成金属氮化物的规律，发展出强流金属离子注入制备金属硅化物的新技术。

在国外，1989年美国的若干个专业委员会在调查分析美国8个工业部门(汽车、电子学、化学、能源、生物材料、航天、金属和通信)对材料的需求之后，编写出版了《90年代的材料科学与工程》报告，对材料的计算机分析与模拟设计做了比较充分的论述。该报告认为，现代理论和计算机技术的进步，使得材料科学与工程的性质正在发生变化。2006年美国纽约州立大学石溪分校(SBU)的Oganov教授等人预测一种新的具有透明、超高硬“超硬石墨”结构，并将其命名为“M-碳”；并于2012年Oganov教授采用分子动力学模拟的方法证实了此前预测的超硬“M-碳”结构及其性质，并与实验结果完美吻合，证实了“超硬石墨”结构正是早前他提出的“M-碳”结构。又如随着欧洲对大气中氮氧化物(NOx)的浓度提出了越来越严格的立法限制，这使寻找新型、可有效捕获、可分解NOx的催化剂越来越重要。2012年剑桥大学Stephen Jenkins率领的研究团队通过CASTEP(电子结构方法)，探究了黄铁矿的催化活性。研究人员重点关注了黄铁矿与空气污染物NOx之间的反应[7]。

近10年来，以材料设计为目的计算材料科学已成为材料科学发展的前沿热点。与传统的实验研究相比，材料的计算模拟具有一系列的优点，如：(1)计算机可以模拟进行现实中不能或很难实现的极端条件下的实验，如材料在极端压力、温度条件下的相变；(2)计算机可以模拟目前实验条件下无法进行的原子及以下尺度的研究；(3)计算机模拟可以验证已有理论和根据模拟结果修正或完善已有理论，也可以从模拟研究结果出发，指导、改善实际实验。(4)科学测试仪器的进步，提高了定量测量的水平，并提供了丰富的实验数据，为理论设计提供了条件。

4.展望

计算机模拟已成为除理论分析和实验研究以外解决材料科学中实际问题的第三大并行的研究手段，它们相互补充，共同促进了材料科学与工程的发展，使人们对于材料显微结构的尺度与层次有了更深的认识，并在一些新的尺度与层次上取得了突破性的进展。

随着计算机技术的发展，材料计算模拟已实现多核并行计算，材料微结构的计算也日益完善，材料计算与设计目前正沿着理论计算——预测材料组分、结构与性能；理论设计——订制新材料；按照生产要求——设计出新的材料制备与加工方法的方向发展。

材料计算设计在材料研究中的作用是巨大的。作为一门新兴学科，作为联系微观(纳观)世界与宏观世界的桥梁，它跨越了多个时间和空间尺度，其发展是必然的。当然，作为一门交叉学科，其发展还受到了计算机计算能力、应用数学、算法语言以及一些其它相关领域经验理论的限制，需要其他领域给与注入新的血液和活力，需要多方面的通力合作才能更好的发挥其效能，为材料科学和整个人类社会的进步做出积极的努力。

[参考文献]

[1] 陈艳娜. 基于TTF衍生物分子材料与分子电子器件研究[D].成都：电子科技大学，2009.

[2] 邓斌.功能材料结构与性能若干问题的计算机模拟研究[D].上海：复旦大学，2006.

[3] 李霞，苏航，陈晓玲，杨才福，谢刚. 材料数据库的现状与发展趋势[J].中国冶金，2007(6):4-8.

[4] 吕允文，夏宗宁，赖树纲.材料设计专家系统与人工神经网络的应用[J].材料导报，1994(6):1-4.

[5] 徐瑞.材料科学中数值模拟与计算[M].黑龙江:哈尔滨工业大学出版社，2005.

[6] 程向前.稀土金属硅化物的强流离子注入合成及反应机制的研究[D].北京:清华大学，2002.

[7] 黄健，冯瑞华，姜山，王桂芳.国外材料计算与模拟研究进展分析[J].新材料产业，2013(10):48-51.

[责任编辑王爱萍]

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

[作者简介]1、瞿诗瑜(1988—)，湖北省荆州市监利县人，陕西广播电视大学人事处助教，工学硕士。2、丁秦(1983—)，陕西省西安市人，陕西广播电视大学人事处助理工程师，法学学士。3、赵亚楠(1984—)，女，山东省聊城市人，陕西广播电视大学工程管理教学部讲师，工学硕士。

*基金项目：本文系陕西广播电视大学2015年度校级课题“材料计算与模拟设计方法研究”(15D-08-B12)，2014年校内重点课题“基于移动平台的微课程设计研究(14D-04-A03)”阶段性成果之一。

[中图分类号]TB305

[文献标识码]A

[文章编号]1008-4649(2016)02-0090-03