計算材料學學習記錄1
平臺：Bohrium
老師：單斌教授

1.發(fā)展史

背景

材料的研究方法發(fā)展：

• 一切靠實驗
• 理論開始起作用
• 理論撐起半邊天
  “……解決全部化學的規(guī)律的數(shù)學方法已
  完全知道了，困難只是在于這些方程太復
  雜，無法求解……”

復雜性體現(xiàn)在各個方面：
? 理論：由單體到多體、線性到非線性、低維到高維體系、標量到矢量系統(tǒng)、常微分方程到偏微分方程、低級微擾到高級微擾、理想化模型到實際復雜模型、單一學科到綜合學科的研究
? 實驗：研究對象和范圍的拓廣、研究精度、極限更高、設備更復雜、以及海量的的實驗數(shù)據(jù) 。

體系復雜性增加，理論與實驗遇到了難以克服的困難：
? 過于繁瑣的計算：求解小分子電子波函數(shù)
? 大量的實驗數(shù)據(jù)：例如，一秒鐘產(chǎn)生100x100個數(shù)據(jù)點，實驗持續(xù)了一個小時，共計36000000個數(shù)據(jù)點。

計算材料學

“進入21世紀以來，計算方法與分子模擬、虛擬實驗，已經(jīng)繼實驗方法、理論方法之后，成為第三個重要的科學方法，對未來科學與技術的發(fā)展，將起著越來越重要的作用。 ” — 徐光憲院士

經(jīng)驗科學 --》 理論推理 --》 計算模擬 --》 數(shù)據(jù)驅(qū)動

2.計算方法分類

屬性分類
物理、化學、材料
尺寸
納觀、微觀、介觀、宏觀
納觀尺度
基本粒子：電子
主要理論：薛定諤方程
方法：量子力學

微觀尺度
基本粒子：原子
主要理論：牛頓力學
方法：蒙特卡洛、分子動力學

介觀尺度
基本粒子：粗理子（組織、結構）
主要理論：牛頓力學/統(tǒng)計熱力 學
相關理論不是很成熟

宏觀尺度
基本粒子：連續(xù)體
主要理論：理論力學、流體力學

材料模擬前沿
AI for Science

計算材料學基本流程
確定物理模型 --》 選擇數(shù)值方法 --》 分析計算結果 --》得到物理結論

3.計算材料學的應用

背景
在一些特定條件下，實驗方法無法實現(xiàn)、過于危險、價格昂貴、盲區(qū)等
而計算材料學則可以替代、啟發(fā)、解釋實驗、幫助發(fā)展理論
應用實例

• 地球物理學
• 核武庫計算模擬
• 產(chǎn)品設計
• 生命科學
• 材料力、電、光、聲、磁性質(zhì)

預測材料的結構和物性關系