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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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对材料的认知和应用推动了科学技术的发展，标志着人类进步的历史。但由于材料的多

样性和复杂性，以及材料科学固有的学科交叉性，现代材料科学与工程很难有一个完整确切

的定义。计算材料学也面临同样的问题。

现代材料科学的目的，不是简单的发现和利用材料，而是从原子乃至电子层次上理解材

料的本质，并在此基础上设计并制备新型材料。材料学家对“结构/成分-制备/合成-性能-服役

表现”四元依赖关系的认识（图 1），从科学与工程的认知角度阐明了材料研究与应用的基

本特点。

简单的说，探索和构建新的“结构-功能关系”，是现代材料科学的基本理念。材料探

究途径，大致可归纳为两类：“自上而下”和“自下而上”。采用传统意义上的实验方法，

以物理观测为手段理解材料的本质，揭示材料“结构-性能关系”的微观机理，这种研究方式

可理解为“自上而下”；与之相反，计算模拟则从已知的物理、化学和生物学基本规律出

发，基于特定的假设，针对模型材料进行数值计算和分析，着重研究材料科学与工程应用中

的基础关键问题，实现对材料结构-性能关系“自下而上”的观测与理解。因此，计算材料学

为材料研究提供了一个全新的手段，弥补了传统实验方法和理论的不足（图 1）。

其实科学家很早就认识到采用模型材料可为某些重要物理现象的研究提供捷径。1947

年前后，英国剑桥大学卡文迪许实验室著名物理学家 W. L. Bragg 用“气泡阀”（bubble

raft）模拟了晶体结构（图 2），证明了晶格中晶界和位错等缺陷的存在（它们的存在对纳米

结构材料力学尺寸效应如 Hall-Petch 关系至关重要）。当时，很多冶金物理学家否认晶格位

错的存在，而透射电子显微镜尚不具有足够的分辨率来直接观测晶体中的原子排布。通过这

个经典的‘原子层次’模拟实验，Bragg 成功地展示了材料模拟的重要性，文章被惯于思维

实验的 Feynman 在他著名的大学物理讲义中全文收录。另外，凝胶体系、等离子晶体等做为

理想的“模型”材料，在现代科学研究中已得到广泛应用。还有值得一提的是，作为出色的冶

金实验物理学家及纳米结构材料的奠基人，H. Gleiter 教授非常执著于材料计算研究。这些事

例均表明，计算机实验和真实实验已紧密地融合；对于一位出色的材料学家来说，同时具备

多重身份（实验家、理论家、计算机模拟专家）已不足为奇。

制约材料“结构-性能”关系的物理机制可从不同的空间及时间尺度加以描述。C. S.

Smith 认为材料的结构组织沿空间尺度大体可划分为四个层次：电子层次、原子层次、介观/

微观层次和连续体（宏观）层次。这种划分亦有助于澄清计算材料学方法的多尺度关联，例

如：从第一原理计算到经典分子动力学、蒙特卡罗原子层次计算；从有限元、相场计算到流

体力学计算机辅助设计（图 3）。一般来说，电子及原子层次计算是实现材料设计的科学基

础，目的是实现对材料本质的认识；连续介质或有限元方法则是材料设计在材料工程应用中

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自微观结构层次得以实现的核心。而这些方法均要求与“结构-性能关系”有机地结合，方能

彻底实现材料科学计算和工程计算的最终目的，为广义上的材料设计提供可靠的借鉴。

计算材料学是一门与诸多学科交叉渗透的学科（材料科学与工程，物理，化学，化学工

程，生物医学，空间科学，大分子科学与工程，机械，电子工程，核动力及能源等）。尽管

目前计算材料学领域已获得极大的进展，但与真正意义上的材料设计，尚差距甚远。尤其对

年轻的材料科学家来说，这是一个极具魅力，充满挑战，并可大有做为的科研领域。

从多尺度实现有效的计算材料学辅助设计，一方面取决于高性能计算机的应用（硬件环

境），另一方面则取决于计算方法的不断更新完善（软件环境）。这就要求从事计算材料学

的研究人员不仅精通某类已有计算软件，更重要的是，能够在对化学、物理学、生物学基本

规律深入理解的基础上，针对材料科学具体、关键的问题，不断地充实、发展、完善现有的

计算软件，借鉴已知的“结构-性能”关系，发现未知的“结构-性能”关系，进而真正解决

关键的材料科学与工程问题。

总之，现代材料学的发展应立足于“材料设计”理念，淘汰“炒菜”模式。计算材料学

弥补了传统实验方法和理论的不足，为现代材料设计提供了一个全新的手段。

参考文献

1. R.W. Cahn, The Coming of Materials Science (Amsterdam: Pergamon, 2001). 2. S. Yip (ed.), Handbook of Materials Modeling (Springer 2005).

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图 1 材料科学与工程体四元关系；实验-理论-计算机模拟三元关系

图 2 晶体中的晶界和位错：假想模型 (a) - 电镜观测 (b) - 模拟 (c, d)

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(a) 想象中的纳米晶体中的晶粒和界面结构（H. Gleiter）

(b) 高分辨电镜下的的晶界（左）和位错（右）

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(c) W.L. Bragg 等 1947 年采用“Bubble-raft”模拟观察到的晶界(左)和位错(右)

(d) 分子动力学模拟模拟观察到的晶界和位错发射(H. Gleiter, 2002)

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图 3 Computational material science across multiscales.