课程-p材料科学与工程

计算机在材料科学中的应用第一部分：概述第二部分：分子模拟第三部分：聚合反应动力学模拟第四部分：材料成形动力学模拟第五部分：材料科学实验中的数据处理张玉梅（z）东华大学材料科学与课程安排授课方式讲座实践考试时间：11月5日考核方式作业（50%），上机考试（50%），开卷参考资料：陈正隆， 为人，汤立达.

分子模拟的理论与实践. ,

化学工业

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2007等.软物质的计算机模拟与理论方法.，化学工业

，2010重在实践I

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understand.第一部分

概述1、材料科学中的计算机模拟2、计算机模拟能够解决的科学问题3、材料模拟的方法4、材料模拟计算简介1、材料科学中的计算机模拟客观真理人类的认识实验计算机模拟理论人类认识客观世界的第三种方法1、材料科学中的计算机模拟“计算机实验”（“计算机模拟”）是利用计算机软、硬件来将实验研究和理论研究相结合起来的一种新研究方法，它可以用计算机给出被研究体系的实验可测的物理量及现有实验无法测量的物理量。对计算机给出的实验可测物理量，可通过用实验实测数据来进行比较，从而判定模拟方法的正确与否及由此推断在真正实验中无法看到的实验系统的动态演变过程。计算机给出的现有实验无法测量的物理量，可以给提供在实验研究中无法得到的各种额外“数据”，从而弥补了现实研究手段的不足。1、材料科学中的计算机模拟计算机模拟科学材料材料科学理论材料设计发展方法计算机模拟与材料科学的关系2、计算机模拟能够解决的科学问题材料科学中的模拟计算化学反应运动（吸附与扩散）结晶相互作用性能共混光谱成形反应工程高分子科学中的模拟计算高分子链构象粘弹性2、计算机模拟能够解决的科学问题材料结构复杂：多级、多重结构相互作用的多样性化学反应机理和动力学的非平衡态演变过程2、计算机模拟能够解决的科学问题模拟计算材料科学中尚未解决的理论和实验问题，增进对问题的了解，发展新理论进行材料设计，缩短新材料研制周期，降低开发成本可研究极快速、

条件下的反应或变化，增加安全性模拟材料加工过程中的工程问题，得到较佳的准确度3、材料模拟的方法材料模拟的时间与空间尺度3、材料模拟的方法量子力学模拟原子和分子尺度模拟介观尺度模拟块体材料或工程应用中的模拟实际上，有效的模拟结果往往来源于多种的有机结合。例如，量子力学计算可以用来建立、测试和完善原子尺度模拟中所用的计算模型，两者结合可应用于单纯的量子力学所无法触及的更大的体系。同样的，原子尺度的模拟可以为介观模型提供初始参数。量子力学模拟分子和大块材料是由原子构成，原子可以经典地描述为质子和中子构成的原子核以及核外电子云。正是这些电子的结构和相互作用决定着物质的化学性质。量子力学模拟方法材料中电子的行为。它是目前最直接最精确的用于计算材料和分子性质的理论。理论上，量子力学方法可以材料的任何性质，甚至有些性质（例如电学、磁学、和光学特性）只有量子力学方法能胜任，而其它方法，例如原子尺度模拟方法，由于它们无法进行合理近似，从而无法得到材料电子结构的准确信息。那么，是不是可以用量子力学方法解决任何能想到的材料问题呢？量子力学模拟量子力学是以分子中电子的非定域化（delocalization)为基础，一切电子的行为以其波函数(wave

function)表示。根据海森伯(Heisenberg)

的测

原理

(uncertainty

principle)，量子力学仅能计算区间内电子出现的概率，其概率正比于波函数绝对值的平方。量子力学模拟的应用材料的许多性质都取决于量子结构量子力学能够精确描述化学反应和电子结构量子力学是材料科学模拟计算的基础量子力学是材料科学模拟计算的支柱量子力学模拟的应用量子力学方法基于亚原子体系电子结构的，它是化学中最精确的模型描述。但是量子力学方法要消耗大量计算机时，故它不适用于复杂体系的计算。而且，量子力学方法得到的很多细节和计算精度对实际应用无太多意义。原子和分子尺度模拟自然界与工业上的许多系统，如生化分子、聚合物、玻璃、金属等均

的原子和电子，且对于上述材料体系，不但需要了解单一分子的性质以及分子间的相互作用，更重要的是了解整个系统的各种集合性质、动态行为与热力学性质。这样复杂的体系，是量子力学尚不能解决的。自1960年左右，非量子计算方法开始兴起，如分子模拟。经典的原子模拟是一种实用的近似。经典近似把原子当作基本结构单元，忽略电子的细节，认为原子之间的相互作用可以用简单的方程表达，就像用力学来处理小球的弹性碰撞问题。分子建模分子结构：H2OH-O-H分子建模复杂纳米系统（被聚合物着的碳纳米管）。原子和分子尺度模拟的应用原子尺度的模拟可以解决分子层次上的问题，其典型的应用领域包括聚合物、生物大分子、有机无机材料、复合材料等研究，应用于反应动力学、分子结晶过程和分离过程的优化等。介观尺度模拟介观尺度建模是指所的尺寸介于分子和工程设计的一类材料建模方型的尺度介于10~1000nm。介观尺度研究的共同特征在于：所有介观建模方法都是建立在低层次的结构单元基础上。虽然不同的建模体系有不同的低层单元，但是人们通常忽略材料的原子细节。介观建模。聚合物的介观建模用单体（即能代表聚合物重复结构的分子片段）作为基本结构单元。聚合物的分子建模采用单个原子作为基本结构单元聚合物的介观模型可以看作简单的一串“珠子”，每个珠子代表一个单体。介观尺度模拟的重要意义虽然介观建模和基础化学研究之间的联系并不显而易见，但在介观尺度的行为往往决定了物质性能，尤其是材料的力学性质。例如，复合材料的拉伸决定于其介观颗粒在基体中的运动情况，而非材料的原子细节。介观模拟的特征与分子建模相比，介观建模

的空间和时间尺度更大。它往往处理特征时间远大于分子运动的工艺过程。如：胶化过程胶体絮状物形成物质混溶相转变聚合物构形扩散过程介观尺度模拟的一个例子模拟共聚物分子（红色）和药物载体（绿色），水（蓝色）和安定类药物（亮点）之间的相互作用块体或工程应用中的模拟研究

可以通过量子的、分子的和中尺度方法去鉴别、调节和优化材料的性质。

，即使介观模拟也只能达到微米的空间尺度和秒级的时间尺度，对于实际的空间尺度和动力学时间尺度的反应、加工过程，量子、分子甚至介观模拟都为力。动力学模拟是反应和加工动力学不可缺少的方法；而实际上，分子模拟可以为动力学模拟提供必要的特征参数。4、计算机模拟

简介Material

Studio－量子、分子、介观模拟Polyflow、Moldflow