文档介绍：中子与物质的相互作用及应用(2004年春季)
第十五讲(2004 年 4 月 15 日)
多尺度材料建模
参考文献
S. Yip, "Synergistic Science", Nature Materials 2, 3 (2003). mentary is
attached as Chap15(S).pdf.
材料发现与创新
我们社会中各种科技企业对新材料的需求日益增长,这就要求成功的材料设计是基于整
体分析的,在合成与处理方法中,对材料基本性能和特性的了解是与创新结合在一起的,并
进一步与性能分析、使用寿命预计、环境评估和经济学研究联系起来。实际中材料的发现与
创新是一个多学科高度综合的过程,依赖于多种科学和工程团体的贡献,因此也就需要在不
同学科之间的有效交流,跨越传统的界限来进行合作。
在材料研究所涉及到的所有领域中,计算都显著地推进了研究工作的进展,通过第一原
理全能量计算对半导体材料电子学性能的定量理解就是一例;另外,通过对聚合体流变行为
的建模,实现了对热塑过程设计的改进。随着科学计算和可视化在功能上的日益强大与使用
便捷,建模变得越来越普遍,不仅是仿真、分析和预测,还包括数据库生成和虚拟测试。
材料研究是一个异常活跃和多学科交织的领域[1]。大学、工业界和政府研究实验室中
的科学家和工程师们在其中扮演了重要的角色。爆炸性增长的材料研究协会会议与期刊如
MRS Bulletin 和 Nature Materials 见证了这一点。也有一些杂志是针对材料建模与模拟的,
如 the Journal puter-Aided Design[2]和 Modeling and Simulation in Materials
Science and Engineering[3],还有其它一些越来越多的会议论文集。
还有另外一个因素增加了材料建模的重要性,即政府部门注意到了模拟和建模是可靠
的,能够作为实验验证的补充(并将最终取代之)。一些国防部、能源部资助的项目是针对
高性能计算的开发与实现的,而这些高性能计算的目的是以更高的效率和更低的成本(有时
候人员安全也是要考虑的)来实现目标任务。例如 High puting
Modernization Program[5]和 the Accelerated puting Initiative,后者
是与 the Science-Based Stockpile Stewardship 紧密相关的,而这本身又是一个规模空前、
责任重大的国家项目[6]。
由于材料建模的能力在深度和广度都在增加,因此材料的分子工程也变得更加切实。这
是每个材料科学家和工程师长久以来的梦想,创造出来的新材料不仅性能优越、使用寿命延
长、对环境影响小,而且不必考虑成本问题。尽管计算机辅助的材料设计落在计算机辅助的
分子(药品)设计之后,它还是取得了重要的进展,尤其是在微电子、光学和磁应用方面的
功能材料领域[7]。与之形成对比的是,对于结构材料来说,机械、热学和化学(合金,腐
蚀等)等现象对可靠和具有预测性的建模提出了严峻的挑战。因此,对于理解和控制这些现
象最有希望的方法是有效地将几种建模技术结合起来,每种技术只适合一种特定的长