導(dǎo)語：材料科學(xué)引入計算模擬教學(xué)的研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

20世紀(jì)80年代以來，計算機已經(jīng)成為各個材料領(lǐng)域研究專家的必備工具，并且隨著計算機技術(shù)和算法的發(fā)展，計算模擬方法也已經(jīng)成為材料研究新的重要手段．計算模擬技術(shù)以物理學(xué)、化學(xué)等相關(guān)的基本理論為基礎(chǔ)，在計算機模擬環(huán)境下對宏觀、介觀以及微觀的不同尺度的材料進行多層次的模擬研究，計算材料的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)等多方面的物理性質(zhì)，并進一步探求這些材料的組分、結(jié)構(gòu)和功能之間的本質(zhì)規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系，為實驗制備新材料提供理論支持，變盲目的材料合成為針對材料性能的某類特定需求來主動地、有意識地設(shè)計材料的結(jié)構(gòu)．計算模擬在材料科學(xué)中的作用已經(jīng)不僅僅停留在計算機輔助和數(shù)據(jù)處理上，人們已經(jīng)認識到計算模擬已經(jīng)與實驗、理論研究一樣能夠發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)現(xiàn)象、新的科學(xué)概念，從而計算模擬已經(jīng)成為第三條科學(xué)發(fā)現(xiàn)的途徑．因此，現(xiàn)代材料科學(xué)已經(jīng)不再是單純的實驗科學(xué)，計算模擬方法已成為與理論研究和實驗方法同樣重要的研究手段，實驗、理論和計算成為材料研究的3大支柱[4]．而且隨著計算材料科學(xué)的進一步發(fā)展，計算模擬方法在未來的材料研究中將顯示出越來越大的應(yīng)用潛力．因此，了解和掌握材料計算和模擬的基本知識已成為現(xiàn)代材料研究工作者必備的技能之一．

材料的計算模擬方法介紹

材料的計算模擬研究是近年來飛速發(fā)展的一門新興學(xué)科和交叉學(xué)科．它綜合凝聚態(tài)物理學(xué)、理論化學(xué)、材料物理學(xué)和計算機算法等多個相關(guān)學(xué)科．它的目的是利用現(xiàn)代高速計算機，模擬材料的各種物理化學(xué)性質(zhì)，深入理解材料從微觀到宏觀多個尺度的各類現(xiàn)象與性能，并對材料的結(jié)構(gòu)和物性進行理論預(yù)言，從而達到設(shè)計和開發(fā)新材料的目的．材料的多尺度計算模擬方法主要有以下幾種:

(1)第一性原理計算方法(First－principlesMethods)基于密度泛函理論的第一性原理計算方法是目前研究微觀電子結(jié)構(gòu)最主要的理論方法．第一性原理計算方法只用到普朗克常數(shù)(h)，玻爾茲曼常數(shù)(kB)，光速(c)，電子靜態(tài)質(zhì)量(m0)和電子電荷電量(e)這5個基本物理變量和研究體系的基本結(jié)構(gòu)．從量子力學(xué)出發(fā)，通過數(shù)值求解薛定諤方程，計算材料的物理性質(zhì)．在密度泛函理論，局域密度近似(LDA)和廣義梯度近似(GGA)框架下的計算已廣泛應(yīng)用于第一性原理的電子結(jié)構(gòu)研究中，并已經(jīng)取得很大的成功．結(jié)合一些能帶結(jié)構(gòu)計算的方法，對于半導(dǎo)體和一些金屬基態(tài)性質(zhì)，如晶格常數(shù)，晶體結(jié)合能，晶體力學(xué)性質(zhì)都能夠給出與實驗符合得很好的結(jié)果，同時能夠比較精確地描述很多體系的電子結(jié)構(gòu)(如能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度、電荷密度、差分電荷密度和鍵布局等)、光學(xué)性質(zhì)(介電函數(shù)、復(fù)折射率、光吸收系數(shù)、反射光譜及光電導(dǎo)等)和磁性質(zhì)，從微觀理論角度分析和揭示材料物理性質(zhì)的起源，使實驗者主動對材料進行結(jié)構(gòu)和功能的控制，以便按照需求制備新材料．

(2)分子動力學(xué)方法(MolecularDynamicsMethods)分子動力學(xué)是一種確定性方法，是按照該體系內(nèi)部的內(nèi)稟動力學(xué)規(guī)律來確定位形的轉(zhuǎn)變，跟蹤系統(tǒng)中每個粒子的個體運動，然后根據(jù)統(tǒng)計物理規(guī)律，給出微觀量(分子的坐標(biāo)、速度)與宏觀可觀測量(壓力、溫度、比熱容、彈性模量等)的關(guān)系來研究材料性能的一種方法[5]．分子動力學(xué)方法首先需要建立系統(tǒng)內(nèi)一組分子的運動方程，通過求解所有分子的運動方程，來研究該體系與微觀量相關(guān)的基本過程．對于這種多體問題的嚴格求解，需要建立并求解體系的薛定諤方程．根據(jù)波恩－奧本海默近似，將電子的運動與原子核的運動分開來處理，電子的運動利用量子力學(xué)的方法處理，而原子核的運動則使用經(jīng)典動力學(xué)方法處理．此時原子核的運動滿足經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，用牛頓定律來描述，這對于大多數(shù)材料來說是一個很好的近似．只有處理一些較輕的原子和分子的平動、轉(zhuǎn)動或振動頻率γ滿足hγ＞kBT時，才需要考慮量子效應(yīng)．

(3)蒙特卡洛方法(MonteCarloMethods)蒙特卡洛方法是在簡單的理論準(zhǔn)則基礎(chǔ)上(如簡單的物質(zhì)與物質(zhì)或者物質(zhì)與環(huán)境相互作用)，采用反復(fù)隨機抽樣的手段，解決復(fù)雜系統(tǒng)的問題．該方法采用隨機抽樣的手法，可以模擬對象的概率與統(tǒng)計的問題．通過設(shè)計適當(dāng)?shù)母怕誓Ｐ停摲椒ㄟ€可以解決確定性問題，如定積分等．隨著計算機的迅速發(fā)展，蒙特卡洛方法已在材料、固體物理、應(yīng)用物理、化學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[6]．蒙特卡洛方法可以通過隨機抽樣的方法模擬材料構(gòu)成基本粒子原子和分子的狀態(tài)，省去量子力學(xué)和分子動力學(xué)的復(fù)雜計算，可以模擬很大的體系．結(jié)合統(tǒng)計物理的方法，蒙特卡洛方法能夠建立基本粒子的狀態(tài)與材料宏觀性能的關(guān)系，是研究材料性能及其影響因素的本質(zhì)的重要手段．

材料專業(yè)引入計算模擬教學(xué)的探索

材料計算的目的在于理解和發(fā)現(xiàn)新的材料性能及其物理本質(zhì)．計算已經(jīng)與實驗和形式理論一樣成為材料研究的3大支柱之一．為學(xué)生將來能夠有更高的起點研究材料科學(xué)，適應(yīng)新形勢下材料研究方法，培養(yǎng)具有寬廣材料科學(xué)基礎(chǔ)，掌握材料現(xiàn)代研究手段的“寬口徑、厚基礎(chǔ)、強能力、高素質(zhì)”的材料科學(xué)專業(yè)人才．我們在本科教學(xué)階段就應(yīng)該有計劃的引入和加強計算模擬方法的教學(xué)．采用的教學(xué)形式可以結(jié)合實際情況，靈活的應(yīng)用．近年來我們采取的教學(xué)方式主要有以下3種方式:(1)開設(shè)計算材料學(xué)類課程在2006年物理與電子信息學(xué)院材料物理與化學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案中已經(jīng)確定《計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用》和《計算物理》課程為專業(yè)選修課程，學(xué)時分別為36學(xué)時和54學(xué)時．《計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用》課程偏重實踐教學(xué)，通過上機操作學(xué)習(xí)計算軟件的基本原理和使用方法．主要教學(xué)內(nèi)容包括:材料學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀及計算機在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用;材料科學(xué)研究中的數(shù)學(xué)模型;材料科學(xué)研究中常用的數(shù)值分析方法;材料科學(xué)研究中主要物理場的數(shù)值模擬;材料科學(xué)與行為工藝的計算機模擬;材料數(shù)據(jù)庫和新材料、新合金的設(shè)計;材料加工過程的計算機控制;計算機在材料檢測中的應(yīng)用;材料研究科學(xué)中的數(shù)據(jù)和圖像處理;互聯(lián)網(wǎng)在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用等9部分內(nèi)容，基本涵蓋當(dāng)今計算機技術(shù)在材料科學(xué)研究中應(yīng)用的各個方面．《計算物理》課程則以理論教學(xué)為主，偏重物理基本原理的介紹．主要教學(xué)內(nèi)容包括:計算物理學(xué)發(fā)展的最新狀況;蒙特卡洛方法及其若干應(yīng)用;有限差分方法;分子動力學(xué)方法;密度泛函理論;計算機代數(shù);高性能計算和并行算法等8部分內(nèi)容．計算材料類課程的開設(shè)注重理論和實踐并重的原則，在講解基本原理的同時加強學(xué)生動手上機實踐能力的培養(yǎng)，因此，經(jīng)過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)初步具備利用計算機進行材料模擬的能力．部分選修計算材料類課程的同學(xué)在學(xué)習(xí)中對計算模擬產(chǎn)生了極大的興趣，在大四時選擇材料計算相關(guān)課題作為本科畢業(yè)論文選題．例如，08屆學(xué)生的畢業(yè)論文《ZnS摻雜Cu光學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究》和《布朗運動的蒙特卡洛模擬》，09屆學(xué)生的畢業(yè)論文《ZnO電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的研究》，11屆學(xué)生的畢業(yè)論文《晶格熱容的理論計算》和《簡立方晶體結(jié)構(gòu)能量分布的理論模擬》等均為材料計算和模擬相關(guān)課題，并且有多人的畢業(yè)論文被評為優(yōu)秀畢業(yè)論文．個別優(yōu)秀的學(xué)生讀研后繼續(xù)從事材料的計算模擬相關(guān)研究．通過幾年的教學(xué)實踐，計算材料相關(guān)課程的開設(shè)對于擴大學(xué)生的知識面，提高學(xué)生的理論分析能力有極大地幫助．(2)在材料相關(guān)的理論課程中加入計算模擬方法介紹雖然已經(jīng)在材料專業(yè)開設(shè)《計算機在材料科學(xué)中的應(yīng)用》和《計算物理》等材料計算相關(guān)的課程，但這兩門課均為專業(yè)選修課，只有選修相關(guān)課程的學(xué)生才能得到相應(yīng)的計算模擬培訓(xùn)，受眾面還比較窄．因此，為使更多的學(xué)生了解到材料模擬計算的相關(guān)理論和知識，在材料專業(yè)主干課的教學(xué)中也適時地加入相關(guān)的計算模擬方法的介紹，從而擴大計算模擬知識的普及面．例如，在《固體物理》課程中，當(dāng)講解到能帶理論一章時，我們會在本章結(jié)束時，加入一次課，著重介紹基于第一性原理的平面波贗勢計算方法計算材料的能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度等以及第一性原理計算的常用軟件(CASTEP、VASP等)．一方面，對學(xué)生學(xué)習(xí)的理論知識加以直觀化和適度的擴展，另一方面也進一步普及第一性原理計算的相關(guān)知識．在《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)中講解到相平衡與相圖一章時，我們會在本章內(nèi)容結(jié)束后介紹相圖計算近年來的發(fā)展現(xiàn)狀，包括CALPHAD(CalculationofPhaseDiagram)計算方法、熱力學(xué)與動力學(xué)的結(jié)合、第一性原理與相圖計算方法的結(jié)合，并簡要介紹今后相圖計算可能的發(fā)展方向[7]．在晶體缺陷內(nèi)容的教學(xué)中，穿插介紹利用分子動力學(xué)計算面心立方金屬空位和間隙原子點缺陷的形成能的方法．通過在課程教學(xué)中穿插入計算模擬方法的介紹，一方面也加深了學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解，另一方面開闊了學(xué)生的眼界．(3)舉辦計算模擬相關(guān)的學(xué)術(shù)講座．自從2009年以來，物理與電子信息學(xué)院從事計算模擬研究的教師每學(xué)期都結(jié)合自身的科研情況舉辦面向全院學(xué)生的學(xué)術(shù)講座．例如在2011至2012學(xué)年第二學(xué)期，我們舉辦兩場學(xué)術(shù)講座，分別是《氧化鋅晶體及其摻雜的第一性原理研究》以及《可見光響應(yīng)半導(dǎo)體光催化材料的結(jié)構(gòu)和能帶設(shè)計》，教師在講座中介紹自己的科研情況，同時也使學(xué)生了解到如何把學(xué)到的計算模擬知識應(yīng)用到科研實踐中去，讓學(xué)生體會到如何利用計算模擬預(yù)測材料的物理性質(zhì)以及指導(dǎo)材料設(shè)計的研究方式，提高學(xué)生自覺學(xué)習(xí)計算模擬方法的積極性．

結(jié)束語

當(dāng)今，隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，計算模擬方法在材料物理性質(zhì)預(yù)測、材料設(shè)計、合成和評價諸多方面有許多突破性的進展，計算模擬已經(jīng)和實驗、理論成為材料研究的3大支柱，掌握計算模擬方法成為現(xiàn)代材料科學(xué)研究的必備手段之一，因此在材料科學(xué)相關(guān)專業(yè)中開展計算模擬方法的教學(xué)是十分迫切的．經(jīng)過這幾年對材料相關(guān)專業(yè)的教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對計算模擬表現(xiàn)出極大的興趣，教學(xué)上也取得相應(yīng)的教學(xué)成果．總之，在材料科學(xué)專業(yè)教學(xué)中引入計算模擬方法的教學(xué)是可行的，也是十分必要的，它對于培養(yǎng)學(xué)生的思維和探索的能力具有重要的支持作用．

作者：劉建軍尹新國張金鋒路彥峰單位：淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院