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计算化学课程论文专业：材料化学院系：化学与材料科学学院5计算化学研究领域及其在材料方面的应用摘要:文章通过对计算化学基本原理及其在材料科学中应用的介绍，说明了计算化学作为一门新兴的交叉学科，在材料科学发展中的重要地位和作用。关键字：计算化学 研究领域 应用引言：计算化学是根据基本的物理化学理论(通常指量子化学、统计热力学及经典力学)及大量的数值运算方式，应用计算机技术，通过理论计算研究化学反应的机制和速率，总结和预见化学物质结构和性能关系的规律的学科。计算化学是化学、计算机科学、物理学、生命科学、材料科学以及药学等多学科交叉融合的产物，而化学则是其中的核心学科。可以用来解释实验中各种化学现象，了解、分析实验结果，预测化学反应方向，还可以用来验证、测试、修正或发展较高层次的化学理论。准确高效的理论计算方法也是计算化学领域中非常重要的一部分。近二十年来，计算机技术的飞速发展和理论计算方法的进步使理论与计算化学逐渐成为一门新兴的学科。今天，理论化学计算和实验研究的紧密结合大大改变了化学作为纯实验科学的传统印象，有力地推动了化学各个分支学科的发展。随着人们对“化学不再是纯实验科学”论断认识的不断提高，计算化学将在各个化学研究领域和交叉学科领域发挥作用。特别是随着当前世界学科前沿的发展趋势，材料、生命、医药、环境等学科越来越被政府和科学家们重视，计算化学也将在这几个方面发挥重大作用。一. 计算化学的研究领域 化学中的数值计算即利用计算数学方法 ，对化学各专业的数学模型进行数值计算或方程求解，例如 ，量子化学和结构化学中的演绎计算、分析化学中的条件预测、化工过程中的各种应用计算等。 化学模拟包括：数值模拟，如用曲线拟合法模拟实测工作曲线；过程模拟，根据某一复杂过程的测试数据，建立数学模型，预测反应效果；实验模拟，通过数学模型研究各种参数（如反应物浓度、温度、压力）对产量的影响，在屏幕上显示反应设备和反应现象的实体图形，或反应条件与反应结果的坐标图形。 模式识别在化学中的应用最常用的方法是统计模式识别法，这是一种统计处理数据、按专业要求进行分类判别的方法，适于处理多因素的综合影响，例如，根据二元化合物的键参数（离子半径、元素电负性、原子的价径比等）对化合物进行分类，预报化合物的性质。模式识别广泛用于最优化设计，根据物性数据设计新的功能材料。 化学数据库及检索在化学数据库中，数据、常数、谱图、文摘、操作规程、有机合成路线、应用程序都是数据。数据库能存贮大量信息，并可根据不同需要进行检索。根据谱图数据库进行谱图检索，已成为有机分析的重要手段，首先将大量的谱图（红外、核磁、质谱等）存入数据库，作为标准谱图，然后由实验测出未知物的各种谱图，把它们和标准谱图进行对照，就可求得未知物的组成和结构。 化学专家系统专家系统是数据库与人工智能结合的产物，它把知识规则作为程序，让机器模拟专家的分析、推理过程，达到用机器代替专家的效果。如酸碱平衡专家系统，内容包括知识库和检索系统，当你向它提出问题时，它能自动查出数据，找到程序，进行计算、绘图 、推理判断等处理，并用专业语言回答你的问题，如溶液pH值的计算，任意溶液用酸、碱进行滴定时操作规程的设计。二. 计算化学的应用计算化学主要应用已有的电脑程序和方法对特定的化学问题进行研究。而算法和电脑程序的开发则由理论化学家和理论物理学家完成。计算化学在研究原子和分子性质、化学反应途径等问题时，常侧重于解决以下两个方面的问题： 1利用计算机程序解量子化学方程来计算物质的性质（如能量，偶极距，振动频率等），用以解释一些具体的化学问题。这是一个计算机科学与化学的交叉学科。 2利用计算机程序做分子动力学模拟。试图为合成实验预测起始条件，研究化学反应机理、解释反应现象等。三. 计算化学在材料科学中的应用（一）在材料科学中的应用1.在建筑材料方面的应用 水泥是重要的建筑材料之一。1993年，计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中，解决了很多实际问题。 钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一，它对水泥石的强度起着关键作用。程新等1 ,2在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下，研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现，含Ca 钙矾石、含Ba 钙矾石和含Sr 钙矾石的Al -O键级基本一致，而含Sr 钙矾石、含Ba 钙矾石中的Sr，Ba 原子键级与Sr-O，Ba -O共价键级都分别大于含Ca 钙矾石中的Ca 原子键级和Ca -O共价键级，由此认为，含Sr 、Ba 硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度3。 将量子化学理论与方法引入水泥化学领域，是一门前景广阔的研究课题，它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来，也为水泥材料的设计提供了一条新的途径3。 2. 在金属及合金材料方面的应用 过渡金属（Fe 、Co、Ni）中氢杂质的超精细场和电子结构，通过量子化学计算表明，含有杂质石原子的磁矩要降低，这与实验结果非常一致。闵新民等4通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明，在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是：dfps，其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算5。再比如说，NbO2是一个在810具有相变的物质（由金红石型变成四方体心），其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论，并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异6。 （二）在能源研究中的应用1.在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用 煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步，量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。 量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子， 如低级芳香烃作为碳/ 碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径，由Guassian 98 程序中的半经验方法UAM1 、在UHF/ 3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3L YP/ 3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算7。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性，对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义。 2.在锂离子电池研究中的应用 锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点，被人们称之为“最有前途的化学电源”，被广泛应用于便携式电器等小型设备，并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。 随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展，相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。 （三）在生物大分子体系研究中的应用生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域，尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究，是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等，都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问，这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用，甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶；可以揭示遗传与变异的奥秘， 进而调控基因的复制与突变，使之造福于人类；可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等，可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。四.计算化学的发展趋势为了满足当前世界学科前沿的发展需要，未来计算化学研究的发展趋势有如下几方面：一是新的更强有力的理论方法将被建立，这将使计算的精度和可靠性大幅度提高，现在，世界上许多研究组都正在致力于发展更好的理论方法以进一步改进计算，相信在这方面会有所突破。二是从事计算化学研究的人数将大大增加，这个领域将更加产业化，成为经济发展的重要支柱，电脑科技将获得日新月异的发展，世界信息化程度将进一步提高，这必将大大促进计算化学的发展。三是在化学学科内部，化学计算和化学实验将变得同等重要，共同成为化学家认识和改造世界的主要手段随着计算化学逐渐走向成熟，化学家常常可以直接通过计算来获取各种化学数据，这些数据有些根本无法从实验获得，有些比实验更精确。计算化学的成熟将给化学学科带来革命，根本改变传统化学的结构和观念五 结语材料科学作为一门独立的科学需要不断完善和发展，从而逐渐增强它对材料工艺过程的正确指导作用。这里蕴藏着理论与实践辩证统一的关系，理论来源于实践，反过来又指导实践。材料科学对材料研究指导作用的一个重要方面是材料设计。根据使用的要求对材料的组成和结构进行设计以达到所要求的性能，这是发展新材料的必由之路。因此为了进行有效的材料设计，必须广泛研究材料的合成与制备中的科学问题，应用计算化学的基本理论研究材料的组成、显微结构及其与性能之间的关系和规律、研究材料的相关性以及材料的缺陷、损毁规律、无损评价和使用寿命预测等。在新的理论指导下，又必须进行新的实践，以求得新的发展。参考文献1Belytschko T.,Lu Y.,Gu L.Element free Galerkin methods.International Journal for Numerical Methods in Engineering,1994,37:229- 256.2张雄，陆明万，Wegner J L. A 2- D meshless model for jointed rock structures. Int. J. Numer. Methods Engrg., 2000, 47(10): 1649- 1661.3Aluru N.R. A point collocation method based on reproducing Kernel approximations. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2000, 47:1083- 1121.4Calvo B., Martinez M. A. and Doblar M. On solving large strain hyperelastic problems with the natural element method. Int. J. Numer. Meth. Engng 2005, 62:159- 185.5SUKUMAR N, MORAN B, SEMENOV A Y,