第1章-计算材料学导论.ppt

1、计算材料学设计实践方法ComputationalMaterialsScienceFromBasicPrinciplestoPracticalDesignMethodology,江建军缪灵等编著jiangjj,江建军教授总论、教育理论、创新实践别少伟副教授项目进程管理缪灵博士石墨烯、纳米管及其应用张莉博士氧化锌纳米体系,授课团队与授课内容,杨晓非教授王耘波副教授聂彦副教授王鲜副教授赵宇军教授华南理工李京波教授中科院周详博士武汉大学,课程设计指导团队,第1章计算材料学导论,1.引言暨历史发展,2.计算材料学理论体系,3.研究动态与展望,4.设计实践方法学,5.设计实践课程学习方法,计算物理概述量子

2、计算化学概述材料设计理念计算材料学,1.引言暨历史发展,基于物理学基本原理的数值计算和模拟已经成为将理论物理和实验物理紧密联系在一起的重要桥梁简单的解析理论模型难以描述复杂物理现象克服实验物理中遇到的许多困难早期宇宙行为、强磁场、极高压、极低温或高温1946年2月14日，美国宾夕法尼亚大学，ENIAC1955年5月,费米和合作者，洛斯阿拉莫斯研究报告1959年，“曼哈顿计划”，计算物理方法丛书多个领域：凝聚态物理、核物理、粒子物理、天体物理等多种方法：蒙特卡罗、分子动力学方法、快速Fourier变换等,计算物理概述,20年代，量子力学体系薛定鄂波动方程、Heisenberg矩阵力学、Dirac

3、相对论方程20年代末，量子化学计算的开始HeitlerLondon使用量子力学处理氢原子形成氢分子1927年到50年代末：创建时期L.C.鲍林，价键理论R.S.马利肯，分子轨道理论H.A.贝特，配位场理论6070年代：发展阶段从头算方法（Gaussian软件包，Slater函数、Gauss函数拟合STO）半经验计算等80年代至90年代密度泛函理论(DFT)迅速发展，轨道波函数为基-密度函数为基表面吸附、催化、分子间相互作用等,量子计算化学概述,材料研究四要素：组成、结构、性能、服役性能实验研究变得越来越困难电子层次、纳米结构设计计算机模拟技术可以根据有关的基本理论纳观、微观、介观、宏观尺度多层

4、次研究模拟超高温、超高压等极端环境性能演变规律、失效机理进而实现材料服役性能的改善和材料设计材料学信息学-材料专家设计系统-基于材料理论计算与设计材料设计(MaterialsDesign)通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料,材料设计理念,“材料计算与设计”的思想产生于20世纪50年代，80年代形成为一个独立的新兴学科。凝聚态物理、量子化学、计算技术等相关基础学科发展计算能力的空前提高多尺度、多层次、多种计算方法结合基于物理建模和数值计算方法，通过理论计算主动地对材料-器件-微系统的本征特性、结构与组分、使用性能以及合成与制造工艺进行综合设计，达

5、到对材料结构与功能调控，并提供优化设计和协同制造技术的一门交叉边缘学科。模拟计算，即根据材料科学和相关科学基本原理，从实验数据出发，通过建立数学模型及数值计算，模拟实际过程；材料理论计算与设计，即直接通过理论的物理模型和数值计算，预测或设计材料结构与性能。,计算材料学,跨学科交叉理论体系分子设计和微系统设计已成为现实，具有理论“前瞻性”跨层次调控方法电子结构、分子结构、晶体缺陷结构和本体结构纳器件和分子器件，重大“挑战性”跨尺度设计理念纳米、微观、介观和宏观不同计算方法耦合和集成，具有创新“集成性”跨领域应用特征汇聚在纳米科学与技术，当代学科发展标志性节点具有“原始创新性”潜力,计算材料学四大

6、特征,多学科和纳米科技发展、汇聚,计算尺度纳观，电子结构纳观微观，分子演化结构微观介观，微纳结构介观宏观，本体结构跨尺度计算多层次结构,2.计算材料学理论体系,量子力学第一性原理的电子结构Hartree-Fock与从头计算DFT与第一性原理计算统计力学原子、分子演化结构分子动力学方法蒙特卡罗方法连续介质力学的本体结构有限差分方法有限元方法,多层次研究对象与计算方法,理论方法、数学模型并不严格等于其数值模型数值实现与计算效率，针对最重要的问题引入各种近似处理绝热近似、平均场近似交换关联泛函形式选择电子-离子实相互作用处理与波函数展开基矢选择、各态历经假说、统计系综选择等等数值解法的精确性也依赖于

7、一系列参数边界条件、截断误差、级数展开误差离散化（积分、微分）、正空间倒空间快速傅立叶变换收敛参数以及程序设计等引入的误差等等,计算框架和数值处理方法,缪灵博士、张莉博士科研流程选题与文献调研石墨烯、纳米管及其应用,*3.研究动态与展望,18,本科生，可能性？量子力学、固体物理计算集群、Linux平台成熟软件、开源文化充分条件好奇、激情、合作,4.设计实践方法学,基于专业设计软件的实践方法研究物理模型相对固定计算理论成熟且复杂算法成熟且易于计算机实现程序代码一般多超过上万行基于自编程的实践方法分子动力学和蒙特卡罗方法几百到几千行代码适用于特定用途的不同程序基于计算方法耦合与集成的实践方法,4.设计实践方法学,基于自编程的实践方法,跨尺度算法耦合研究MC/MD，QM/MD，CPMD，MM/QM，FP/FD，QM/FEM耦合计算不同研究角度和视野物理学家、化学家、生物学家、材料学家与工程学家,基于计算方法耦合与集成,面向群体创新人才培养模式创新设计实践的教育理论设计实践指南几点启示,5.设计实践课程学习方法,科研经历、团队合作文献查阅、了解前沿结构建模、模拟计算数据分析、联系应用科学计算平台,综述应用探索算法,涉及内容、任务分类,Thankyou!,ccmshust