计算材料学学习记录1

计算材料学学习记录1
平台：Bohrium
老师：单斌教授

1.发展史

背景

材料的研究方法发展：

• 一切靠实验
• 理论开始起作用
• 理论撑起半边天
  “……解决全部化学的规律的数学方法已
  完全知道了，困难只是在于这些方程太复
  杂，无法求解……”

复杂性体现在各个方面：
• 理论：由单体到多体、线性到非线性、低维到高维体系、标量到矢量系统、常微分方程到偏微分方程、低级微扰到高级微扰、理想化模型到实际复杂模型、单一学科到综合学科的研究
• 实验：研究对象和范围的拓广、研究精度、极限更高、设备更复杂、以及海量的的实验数据 。

体系复杂性增加，理论与实验遇到了难以克服的困难：
• 过于繁琐的计算：求解小分子电子波函数
• 大量的实验数据：例如，一秒钟产生100x100个数据点，实验持续了一个小时，共计36000000个数据点。

计算材料学

“进入21世纪以来，计算方法与分子模拟、虚拟实验，已经继实验方法、理论方法之后，成为第三个重要的科学方法，对未来科学与技术的发展，将起着越来越重要的作用。 ” — 徐光宪院士

经验科学 --》 理论推理 --》 计算模拟 --》 数据驱动

2.计算方法分类

属性分类
物理、化学、材料
尺寸
纳观、微观、介观、宏观
纳观尺度
基本粒子：电子
主要理论：薛定谔方程
方法：量子力学

微观尺度
基本粒子：原子
主要理论：牛顿力学
方法：蒙特卡洛、分子动力学

介观尺度
基本粒子：粗理子（组织、结构）
主要理论：牛顿力学/统计热力 学
相关理论不是很成熟

宏观尺度
基本粒子：连续体
主要理论：理论力学、流体力学

材料模拟前沿
AI for Science

计算材料学基本流程
确定物理模型 --》 选择数值方法 --》 分析计算结果 --》得到物理结论

3.计算材料学的应用

背景
在一些特定条件下，实验方法无法实现、过于危险、价格昂贵、盲区等
而计算材料学则可以替代、启发、解释实验、帮助发展理论
应用实例

• 地球物理学
• 核武库计算模拟
• 产品设计
• 生命科学
• 材料力、电、光、声、磁性质

预测材料的结构和物性关系