第1章计算材料学导论.ppt

计算材料学计算材料学—设计实践方法设计实践方法 Computational Materials ScienceComputational Materials Science From Basic Principles to Practical Design MethodologyFrom Basic Principles to Practical Design Methodology江建军 缪灵 等 编著Ø江建军江建军 教授教授 总论、教育理论、创新实践总论、教育理论、创新实践Ø别少伟别少伟 副教授副教授 项目进程管理项目进程管理Ø缪缪 灵灵 博士博士石墨烯、纳米管及其应用石墨烯、纳米管及其应用Ø张张 莉莉 博士博士氧化锌纳米体系氧化锌纳米体系授课团队与授课内容授课团队与授课内容 第第1章章 计算材料学导论计算材料学导论 1.￿引言暨历史发展2.￿计算材料学理论体系3.￿研究动态与展望4.￿设计实践方法学5.￿设计实践课程学习方法Ø计算计算物理概述物理概述Ø量子量子计算化学概述计算化学概述Ø材料材料设计理念设计理念Ø计算材料学计算材料学1. 引言暨历史发展引言暨历史发展 u基于物理学基本原理的数值计算和模拟已经成为将理论物理和实验物基于物理学基本原理的数值计算和模拟已经成为将理论物理和实验物理紧密联系在一起的重要桥梁理紧密联系在一起的重要桥梁Ø简单的解析理论模型难以描述复杂物理现象简单的解析理论模型难以描述复杂物理现象Ø克服实验物理中遇到的许多困难克服实验物理中遇到的许多困难Ø早期宇宙行为、强磁场、极高压、极低温或高温早期宇宙行为、强磁场、极高压、极低温或高温u19461946年年2 2月月1414日，美国宾夕法尼亚大学，日，美国宾夕法尼亚大学，ENIACENIACu19551955年年5 5月月, ,费米和合作者，洛斯阿拉莫斯研究报告费米和合作者，洛斯阿拉莫斯研究报告u19591959年，年，““曼哈顿计划曼哈顿计划””，《计算物理方法丛书》，《计算物理方法丛书》u多个领域：凝聚态物理、核物理、粒子物理、天体物理等多个领域：凝聚态物理、核物理、粒子物理、天体物理等u多种方法：蒙特卡罗、分子动力学方法、快速多种方法：蒙特卡罗、分子动力学方法、快速FourierFourier变换等变换等计算物理概述计算物理概述 u2020年代，量子力学体系年代，量子力学体系Ø薛定鄂波动方程、薛定鄂波动方程、HeisenbergHeisenberg矩阵力学、矩阵力学、DiracDirac相对论方程相对论方程u2020年代末，量子化学计算的开始年代末，量子化学计算的开始ØHeitlerHeitler－－LondonLondon使用量子力学处理氢原子形成氢分子使用量子力学处理氢原子形成氢分子u19271927年到年到5050年代末：创建时期年代末：创建时期ØL.C.L.C.鲍林，价键理论鲍林，价键理论ØR.S.R.S.马利肯，分子轨道理论马利肯，分子轨道理论ØH.A.H.A.贝特，配位场理论贝特，配位场理论u6060～～7070年代：发展阶段年代：发展阶段Ø从头算方法（从头算方法（GaussianGaussian软件包，软件包，SlaterSlater函数、函数、GaussGauss函数拟合函数拟合STOSTO））Ø半经验计算等半经验计算等u8080年代至年代至9090年代年代Ø密度泛函理论密度泛函理论(DFT)(DFT)迅速发展，轨道波函数为基迅速发展，轨道波函数为基->->密度函数为基密度函数为基u表面吸附、催化、分子间相互作用等表面吸附、催化、分子间相互作用等量子计算化学概述量子计算化学概述 u材料研究四要素：组成、结构、性能、服役性能材料研究四要素：组成、结构、性能、服役性能Ø实验研究变得越来越困难实验研究变得越来越困难Ø电子层次、纳米结构设计电子层次、纳米结构设计u计算机模拟技术可以根据有关的基本理论计算机模拟技术可以根据有关的基本理论Ø纳观、微观、介观、宏观尺度多层次研究纳观、微观、介观、宏观尺度多层次研究Ø模拟超高温、超高压等极端环境模拟超高温、超高压等极端环境Ø性能演变规律、失效机理性能演变规律、失效机理Ø进而实现材料服役性能的改善和材料设计进而实现材料服役性能的改善和材料设计u材料学信息学材料学信息学->->材料专家设计系统材料专家设计系统->->基于材料理论计算与设计基于材料理论计算与设计u材料设计材料设计(Materials Design)(Materials Design)Ø通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能Ø通过理论设计来通过理论设计来““订做订做””具有特定性能的新材料具有特定性能的新材料材料设计理念材料设计理念 u““材料计算与设计材料计算与设计””的思想产生于的思想产生于2020世纪世纪5050年代，年代，8080年代形成为一个年代形成为一个独立的新兴学科。

独立的新兴学科Ø凝聚态物理、量子化学、计算技术等相关基础学科发展凝聚态物理、量子化学、计算技术等相关基础学科发展Ø计算能力的空前提高计算能力的空前提高Ø多尺度、多层次、多种计算方法结合多尺度、多层次、多种计算方法结合u基于物理建模和数值计算方法，通过理论计算主动地对材料基于物理建模和数值计算方法，通过理论计算主动地对材料- -器件器件- -微微系统的本征特性、结构与组分、使用性能以及合成与制造工艺进行系统的本征特性、结构与组分、使用性能以及合成与制造工艺进行综合设计，达到对材料结构与功能调控，并提供优化设计和协同制综合设计，达到对材料结构与功能调控，并提供优化设计和协同制造技术的一门交叉边缘学科造技术的一门交叉边缘学科Ø模拟计算，即根据材料科学和相关科学基本原理，从实验数据出发，通过建模拟计算，即根据材料科学和相关科学基本原理，从实验数据出发，通过建立数学模型及数值计算，模拟实际过程；立数学模型及数值计算，模拟实际过程；Ø材料理论计算与设计，即直接通过理论的物理模型和数值计算，预测或设计材料理论计算与设计，即直接通过理论的物理模型和数值计算，预测或设计材料结构与性能材料结构与性能计算材料学计算材料学 u跨学科交叉理论体系跨学科交叉理论体系Ø分子设计和微系统设计已成为现实，具有理论分子设计和微系统设计已成为现实，具有理论““前瞻性前瞻性””u跨层次调控方法跨层次调控方法Ø电子结构、分子结构、晶体缺陷结构和本体结构电子结构、分子结构、晶体缺陷结构和本体结构Ø纳器件和分子器件，重大纳器件和分子器件，重大““挑战性挑战性””u跨尺度设计理念跨尺度设计理念Ø纳米、微观、介观和宏观纳米、微观、介观和宏观Ø不同计算方法耦合和集成，具有创新不同计算方法耦合和集成，具有创新““集成性集成性””u跨领域应用特征跨领域应用特征Ø汇聚在纳米科学与技术，当代学科发展标志性节点汇聚在纳米科学与技术，当代学科发展标志性节点Ø具有具有““原始创新性原始创新性””潜力潜力计算材料学四大特征计算材料学四大特征 多学科和纳米科技发展、汇聚多学科和纳米科技发展、汇聚 u计算尺度计算尺度Ø纳观，电子结构纳观，电子结构Ø纳观－微观，分子演化结构纳观－微观，分子演化结构Ø微观－介观，微纳结构微观－介观，微纳结构Ø介观－宏观，本体结构介观－宏观，本体结构u跨尺度计算多层次结构跨尺度计算多层次结构2. 计算材料学理论体系计算材料学理论体系 u量子力学第一性原理的电子结构量子力学第一性原理的电子结构ØHartree-FockHartree-Fock与从头计算与从头计算ØDFTDFT与第一性原理计算与第一性原理计算u统计力学原子、分子演化结构统计力学原子、分子演化结构Ø分子动力学方法分子动力学方法Ø蒙特卡罗方法蒙特卡罗方法u连续介质力学的本体结构连续介质力学的本体结构Ø有限差分方法有限差分方法Ø有限元方法有限元方法多层次研究对象与计算方法多层次研究对象与计算方法 u理论方法、数学模型并不严格等于其数值模型理论方法、数学模型并不严格等于其数值模型u数值实现与计算效率，针对最重要的问题引入各种近似处理数值实现与计算效率，针对最重要的问题引入各种近似处理Ø绝热近似、平均场近似绝热近似、平均场近似Ø交换关联泛函形式选择交换关联泛函形式选择Ø电子电子- -离子实相互作用处理与波函数展开基矢选择、离子实相互作用处理与波函数展开基矢选择、Ø各态历经假说、统计系综选择等等各态历经假说、统计系综选择等等u数值解法的精确性也依赖于一系列参数数值解法的精确性也依赖于一系列参数Ø边界条件、截断误差、级数展开误差边界条件、截断误差、级数展开误差Ø离散化（积分、微分）、正空间倒空间快速傅立叶变换离散化（积分、微分）、正空间倒空间快速傅立叶变换Ø收敛参数以及程序设计等引入的误差等等收敛参数以及程序设计等引入的误差等等计算框架和数值处理方法计算框架和数值处理方法 Ø缪灵博士、张莉博士缪灵博士、张莉博士Ø科研流程科研流程Ø选题与文献调研选题与文献调研Ø石墨烯、纳米管及其应用石墨烯、纳米管及其应用* 3. 研究动态与展望研究动态与展望 18u本科生，可能性？本科生，可能性？Ø量子力学、固体物理量子力学、固体物理Ø计算集群、计算集群、LinuxLinux平台平台Ø成熟软件、开源文化成熟软件、开源文化u充分条件充分条件Ø好奇、激情、合作好奇、激情、合作4. 设计实践方法学设计实践方法学 u基于专业设计软件的实践方法基于专业设计软件的实践方法Ø研究物理模型相对固定研究物理模型相对固定Ø计算理论成熟且复杂计算理论成熟且复杂Ø算法成熟且易于计算机实现算法成熟且易于计算机实现Ø程序代码一般多超过上万行程序代码一般多超过上万行u基于自编程的实践方法基于自编程的实践方法Ø分子动力学和蒙特卡罗方法分子动力学和蒙特卡罗方法Ø几百到几千行代码几百到几千行代码Ø适用于特定用途的不同程序适用于特定用途的不同程序u基于计算方法耦合与集成的实践方法基于计算方法耦合与集成的实践方法4. 设计实践方法学设计实践方法学 基于自编程的实践方法基于自编程的实践方法 u跨尺度算法耦合研究跨尺度算法耦合研究ØMC/MDMC/MD，，QM/MDQM/MD，，CPMDCPMD，，MM/QMMM/QM，，FP/FDFP/FD，，QM/FEMQM/FEM耦合计算耦合计算u不同研究角度和视野不同研究角度和视野Ø物理学家、化学家、生物学家、材料学家与工程学家物理学家、化学家、生物学家、材料学家与工程学家基于计算方法耦合与集成基于计算方法耦合与集成 Ø面向群体创新人才培养模式面向群体创新人才培养模式Ø创新设计实践的教育理论创新设计实践的教育理论Ø设计实践指南设计实践指南Ø几点启示几点启示5. 设计实践课程学习方法设计实践课程学习方法 Ø科研经历、团队合作科研经历、团队合作Ø文献查阅、了解前沿文献查阅、了解前沿Ø结构建模、模拟计算结构建模、模拟计算Ø数据分析、联系应用数据分析、联系应用Ø科学计算平台科学计算平台u综述u应用u探索u算法涉及内容、任务分类涉及内容、任务分类 Thank you!Thank you! 课程设计进程安排课程设计进程安排 每组每组6-86-8人人文献查阅、计算分析、整理表达等各方面互补文献查阅、计算分析、整理表达等各方面互补组长是项目组的成败关键组长是项目组的成败关键协调、协调、负责、坚定，奖惩措施负责、坚定，奖惩措施每组请报三个项目，以便冲突时调整每组请报三个项目，以便冲突时调整每组三周内完成一篇综述每组三周内完成一篇综述群：群：2134 828702134 82870请善用网络、请善用网络、google ……google ……本周完成分组、选题本周完成分组、选题 。