计算材料

这是一份介绍材料理论计算方面的综述性资料

计算材料学

金朝晖，上海交通大学材料科学与工程学院

2008年2月

作为一门相对而言年轻的新型交叉学科，计算材料学源于二十世纪六十年代至八十年代得以迅猛发展的物理化学计算方法。

当时，量子力学的广泛应用以及复杂分子如 DNA 双螺旋结构的发现，推动了人们以计算机为工具，对大分子结构分子间交互作用及反应机制等动力学行为的模拟研究。美国西北工业大学 J. Pople 教授因发展和普及现代量化计算方法、创建了 Gaussian 原子分子计算软件，并获得1998年诺贝尔化学奖。1983年由哈佛大学的一个研究小组成功开发并普及了CHARMM 分子动力学软件，标志着计算机模拟从无机化学研究推广到药物分子设计等生命科学研究领域。同时，对复杂凝聚态体系行为的计算机模拟研究，奠定了其在材料科学领域广泛应用的基础，并由此形成了计算材料学这门相对独立的学科。

计算材料学的迅速发展始于八十年代末到九十年代初期。研究的焦点从小的分子、原子体系过渡到大的凝聚态体系。研究的对象包括晶体及非晶等块体材料。研究范围包括表面，界面，聚合物，复杂液体以及各种晶体缺陷（如位错）等。近二十年来，计算材料学在时间和空间尺度实现了大规模原子层次计算，融合了基于密度泛函理论的第一原理计算方法（如，CASTEP，VASP 等），以及发展较为成熟的工程模拟计算技术，为材料科学与工程提供了可靠且较为完备的多尺度计算和模拟工具。

作为与理论分析和实验观测并列的研究方法，计算材料为材料科学与工程提供了新颖、有效的研究手段，弥补着理论和实验的不足。原子层次乃至电子层次的计算，对揭示形变、相变、扩散等复杂机理，预测新现象，发展新理论，制备新结构、新功能材料等，都具有现实的指导意义。计算材料学在材料设计、材料制备工艺以及教学实践中的作用和地位已得到充分的肯定，并日益加强。计算材料学不单单是材料科学的一个子学科，它给人们带来了从崭新的角度实现材料教学、材料研究以及材料工程应用难得的机会。

二十一世纪科学与技术的发展以纳米技术、生物技术为标志。纳米材料、纳米生物器件、材料多尺度结构的研究与应用，为计算材料学提供了更加广阔的生存和发展空间。计算材料学的发展水平，也是衡量现代材料学发展的一个重要标志；作为材料基础研究的一个层面，它对国民经济的发展、国防建设、环境和能源等方面，都具有重要意义。

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