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編者按：中科院之聲與中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所聯(lián)合開(kāi)設“科普硅立方”專(zhuān)欄，為大家介紹先進(jìn)無(wú)機非金屬材料的前世今生。我們將帶你——認識晶格，挑戰勢壘，尋覓暗物質(zhì)，今古論陶瓷；彌補缺陷，能級躍遷，嫦娥織外衣，溢彩話(huà)琉璃。
相信大家對于炒菜一定不陌生，就算自己沒(méi)親自炒過(guò)，也一定見(jiàn)看過(guò)父母、朋友或者是飯店里的廚師炒過(guò)。百度百科里面給了“炒菜”相對普適性的的定義:炒菜，是中國菜的常用制作方法，將一種或幾種菜在特制的凹型鍋內，以火傳導到鐵鍋中的熱度為載體，加入油、佐料和菜品后用特制工具“鍋鏟”翻動(dòng)將菜炒熟的烹飪過(guò)程。
在傳統的科學(xué)研究中采用的方法往往與“炒菜”模式類(lèi)似。試驗中處理的模型可類(lèi)比炒菜用的鍋，而物理思路和理論分析算法看作是主料，其他各種參數的調節和細節的處理大致就是調料了。在試驗中，改變“調料”，改用其他鍋或主料，得到的結果也經(jīng)常不盡相同。但是，這種“炒菜式”的科研方式存在著(zhù)一個(gè)致命的短板，那就是需要消耗大量的人力、資源、時(shí)間和金錢(qián)，且極大地制約了新材料的發(fā)展速度。此時(shí)，計算材料學(xué)應運而生。
圖1 炒菜與科研（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò )）
計算材料學(xué)是什么？
所謂計算材料學(xué)（ComputationalMaterials Science），是一門(mén)綜合了材料科學(xué)與計算機科學(xué)且正處于快速發(fā)展的新興學(xué)科，是關(guān)于材料組成、結構、性能、服役性能的計算機模擬與設計的學(xué)科，是材料科學(xué)研究里的“計算機實(shí)驗”。它涉及材料、物理、計算機、數學(xué)、化學(xué)等多門(mén)學(xué)科。通俗一點(diǎn)解釋為，計算材料學(xué)是通過(guò)計算機將理論知識編程各種軟件程序，然后利用該軟件進(jìn)行一定的科學(xué)研究，結合一定的實(shí)驗數據，快速找出其本質(zhì)的物理意義，從而完善理論，進(jìn)一步改善和加速實(shí)驗研究。
圖2 計算材料學(xué)的構成（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò )）
計算材料學(xué)的發(fā)展歷史
1913年，Niels Bohr建立了原子的量子模型，計算材料學(xué)開(kāi)始萌芽。
1920s~1930s這段時(shí)間，由于量子力學(xué)的建立和發(fā)展，奠定了計算材料學(xué)的理論基礎。1927年，原子電子結構的Thomas-Fermi理論首先得到運用。1928年，F.Bloch將量子理論運用于固體。在1928-1930三年間，Hatree-Fock方法建立，采用平均場(chǎng)近似求解電子結構的問(wèn)題。
1946-1965年間，密度泛函理論（DFT）和Kohn-Sham方法從此開(kāi)啟了計算材料學(xué)研究的大門(mén)。
1998年，Kohn和Pople獲得Nobel化學(xué)獎。
圖3 計算材料學(xué)的研究尺度（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò )）
計算材料學(xué)的研究方法
計算材料學(xué)可以利用不同的模型和計算方法，從不同尺度與時(shí)域研究材料的結構演化及其與性能的相互關(guān)系，從而更好地理解和設計新材料。具體的計算方法很多，從空間尺度的不同，分為微觀(guān)尺度、介觀(guān)尺度和宏觀(guān)尺度。
微觀(guān)尺度（原子尺度及小于晶粒尺寸），利用密度泛函理論（Density Functional Theory, DFT），可以通過(guò)電子態(tài)密度（Density of Electronic States，DOS）、巴德電荷（BaderCharge）以及局域電荷密度等很好地將電子信息與材料性能和結構聯(lián)系在一起。另外，也可以選擇分子動(dòng)力學(xué)（Molecular Dynamics，MD）和蒙特卡羅方法（MonteCarlo, MC）來(lái)尋找原子的遷移路徑和勢壘。針對具有十分復雜的界面結構的問(wèn)題時(shí)，用經(jīng)典尖銳界面模型去跟蹤界面演化，會(huì )遭遇到嚴重的數值困難。并且真實(shí)材料中的相界或晶界實(shí)際上并不是嚴格的零厚度界面，而是具有一定厚度（納米尺度）的邊界層，這層厚度控制材料相變動(dòng)力學(xué)，由此引入一個(gè)序參量場(chǎng)區分兩相（如固相和液相），該方法為相場(chǎng)法（Phase-field method, PFM），相場(chǎng)法被廣泛應用于模擬液/固相變（枝晶生長(cháng)、多元多相凝固、多晶凝固等）、固態(tài)相變（沉淀相析出、馬氏體相變、鐵電相變等）、應力相變（薄膜生長(cháng)，定向粗化）、結構缺陷相變（裂紋擴展、位錯動(dòng)力學(xué)）等。在微觀(guān)尺度內，還有微觀(guān)動(dòng)力學(xué)模擬等方法。
介觀(guān)尺度（晶粒尺寸大?。?，主要有元胞自動(dòng)機法，以晶粒生長(cháng)為例，元胞自動(dòng)機的模擬過(guò)程主要有確定形核、選擇時(shí)間步長(cháng)、計算溫度場(chǎng)、計算溶質(zhì)場(chǎng)、計算界面元胞的生長(cháng)動(dòng)力學(xué)、確定胞狀態(tài)、捕捉鄰胞、計算曲率等過(guò)程組成。
宏觀(guān)尺度（宏觀(guān)試樣大?。?，主要是有限元分析(Finite Element Analysis, FEA)方法，該方法是利用數學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統進(jìn)行模擬，還利用簡(jiǎn)單而又互相作用的元素就可以用有限數量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統。
圖4 密度泛函理論（DFT）軟件包（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò )）
計算材料學(xué)在化學(xué)、材料等學(xué)科中運用非常廣泛，常見(jiàn)量子化學(xué)模擬軟件包括：VASP、Materials Studio、Gaussian等。這些軟件主要針對分子層面的微觀(guān)問(wèn)題的模擬計算，在給定分子結果的前提下可以計算材料的光譜性質(zhì)、電子結構、分子不同構象的能級等等。
計算材料學(xué)的應用場(chǎng)景
（1）在催化劑開(kāi)發(fā)中能夠基于量子力學(xué)預測反應活性位點(diǎn)，考察催化反應機理。
圖5 在化學(xué)中具有廣泛適用性的密度泛函
（2）針對潤滑油，高分子和流體微觀(guān)分析，計算材料學(xué)在納米尺度采用基于分子力學(xué)的物理模型能夠預測擴散、滲透、表面吸附分子取向和粘度等性質(zhì)。
圖6 用分子動(dòng)力學(xué)原子學(xué)方法探討瀝青質(zhì)模型在甲苯、庚烷和兩親物中的結構溶解度關(guān)系
（3）針對液相熱力學(xué)行為，計算材料學(xué)能夠基于COSMO-RS預測極性組分的分配系數，萃取及液液相平衡，溶解度和固液相平衡，氣體溶解度和復雜體系增氣壓，吸附模型，界面張力，純物質(zhì)的密度和粘度等。研究者們計算log Kow作為第一個(gè)篩選參數來(lái)估計生物體內的積累率。
圖7 溴化苯聚苯乙烯的環(huán)境命運、生物積累和潛在毒性的計算評估
（4）并通過(guò)引入高通量虛擬篩選，快速篩選目標材料。
圖8 高通量結合計算材料學(xué)（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò )）
眾多研究機構近年來(lái)一直致力于將材料基因組思想用于鋰電池材料的開(kāi)發(fā)中，發(fā)展了基于離子輸運性質(zhì)的鋰電池材料高通量計算流程和相關(guān)工具，使用該高通量計算工具，研究人員對無(wú)機晶體結構數據庫中1000余種含鋰材料的離子輸運性質(zhì)進(jìn)行了高通量計算篩選，搜索了可能用于下一代固態(tài)鋰二次電池的固態(tài)電解質(zhì)材料。對于鋰離子電導率較高的硫化物，采用不同精度結合的高通量計算研究了固體電解質(zhì)β-Li3PS4的摻雜優(yōu)化方案，發(fā)現氧摻雜能有效提高離子電導率和改善其熱力學(xué)穩定性，并通過(guò)實(shí)驗驗證了該方案。
計算材料學(xué)的發(fā)展趨勢
計算材料學(xué)的一個(gè)重要發(fā)展方向是材料基因組計劃，其研究的關(guān)鍵是實(shí)現材料研發(fā)的“高通量”，即并發(fā)式完成“一批”而非“一個(gè)”材料樣品的計算模擬、制備和表征，實(shí)現系統的篩選和優(yōu)化材料，從而加快材料從發(fā)現到應用的過(guò)程。這些原先難以通過(guò)實(shí)驗完成的工作，現在可以很方便地使用超級計算機來(lái)完成。
圖9 計算材料學(xué)的的發(fā)展趨勢
參考文獻：
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3. Louwen, J. N. & Stedeford, T. Computational assessment of the environmental fate, bioaccumulation, and toxicity potential of brominated benzylpolystyrene. Toxicol. Mech. Methods 21, 183-192, (2011).
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