導(dǎo)讀編者按：中科院之聲與中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所聯(lián)合開設(shè)“科普硅立方”專欄，為大家介紹先進(jìn)無(wú)機(jī)非金屬材料的前世今生。我們將帶你——認(rèn)識(shí)晶格，挑戰(zhàn)勢(shì)壘，尋覓暗物....

編者按：中科院之聲與中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所聯(lián)合開設(shè)“科普硅立方”專欄，為大家介紹先進(jìn)無(wú)機(jī)非金屬材料的前世今生。我們將帶你——認(rèn)識(shí)晶格，挑戰(zhàn)勢(shì)壘，尋覓暗物質(zhì)，今古論陶瓷；彌補(bǔ)缺陷，能級(jí)躍遷，嫦娥織外衣，溢彩話琉璃。

相信大家對(duì)于炒菜一定不陌生，就算自己沒親自炒過，也一定見看過父母、朋友或者是飯店里的廚師炒過。百度百科里面給了“炒菜”相對(duì)普適性的的定義:炒菜，是中國(guó)菜的常用制作方法，將一種或幾種菜在特制的凹型鍋內(nèi)，以火傳導(dǎo)到鐵鍋中的熱度為載體，加入油、佐料和菜品后用特制工具“鍋鏟”翻動(dòng)將菜炒熟的烹飪過程。

在傳統(tǒng)的科學(xué)研究中采用的方法往往與“炒菜”模式類似。試驗(yàn)中處理的模型可類比炒菜用的鍋，而物理思路和理論分析算法看作是主料，其他各種參數(shù)的調(diào)節(jié)和細(xì)節(jié)的處理大致就是調(diào)料了。在試驗(yàn)中，改變“調(diào)料”，改用其他鍋或主料，得到的結(jié)果也經(jīng)常不盡相同。但是，這種“炒菜式”的科研方式存在著一個(gè)致命的短板，那就是需要消耗大量的人力、資源、時(shí)間和金錢，且極大地制約了新材料的發(fā)展速度。此時(shí)，計(jì)算材料學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。

圖1 炒菜與科研（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

計(jì)算材料學(xué)是什么？

所謂計(jì)算材料學(xué)（ComputationalMaterials Science），是一門綜合了材料科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)且正處于快速發(fā)展的新興學(xué)科，是關(guān)于材料組成、結(jié)構(gòu)、性能、服役性能的計(jì)算機(jī)模擬與設(shè)計(jì)的學(xué)科，是材料科學(xué)研究里的“計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)”。它涉及材料、物理、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、化學(xué)等多門學(xué)科。通俗一點(diǎn)解釋為，計(jì)算材料學(xué)是通過計(jì)算機(jī)將理論知識(shí)編程各種軟件程序，然后利用該軟件進(jìn)行一定的科學(xué)研究，結(jié)合一定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，快速找出其本質(zhì)的物理意義，從而完善理論，進(jìn)一步改善和加速實(shí)驗(yàn)研究。

圖2 計(jì)算材料學(xué)的構(gòu)成（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

計(jì)算材料學(xué)的發(fā)展歷史

1913年，Niels Bohr建立了原子的量子模型，計(jì)算材料學(xué)開始萌芽。

1920s~1930s這段時(shí)間，由于量子力學(xué)的建立和發(fā)展，奠定了計(jì)算材料學(xué)的理論基礎(chǔ)。1927年，原子電子結(jié)構(gòu)的Thomas-Fermi理論首先得到運(yùn)用。1928年，F(xiàn).Bloch將量子理論運(yùn)用于固體。在1928-1930三年間，Hatree-Fock方法建立，采用平均場(chǎng)近似求解電子結(jié)構(gòu)的問題。

1946-1965年間，密度泛函理論（DFT）和Kohn-Sham方法從此開啟了計(jì)算材料學(xué)研究的大門。

1998年，Kohn和Pople獲得Nobel化學(xué)獎(jiǎng)。

圖3 計(jì)算材料學(xué)的研究尺度（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

計(jì)算材料學(xué)的研究方法

計(jì)算材料學(xué)可以利用不同的模型和計(jì)算方法，從不同尺度與時(shí)域研究材料的結(jié)構(gòu)演化及其與性能的相互關(guān)系，從而更好地理解和設(shè)計(jì)新材料。具體的計(jì)算方法很多，從空間尺度的不同，分為微觀尺度、介觀尺度和宏觀尺度。

微觀尺度（原子尺度及小于晶粒尺寸），利用密度泛函理論（Density Functional Theory, DFT），可以通過電子態(tài)密度（Density of Electronic States，DOS）、巴德電荷（BaderCharge）以及局域電荷密度等很好地將電子信息與材料性能和結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起。另外，也可以選擇分子動(dòng)力學(xué)（Molecular Dynamics，MD）和蒙特卡羅方法（MonteCarlo, MC）來尋找原子的遷移路徑和勢(shì)壘。針對(duì)具有十分復(fù)雜的界面結(jié)構(gòu)的問題時(shí)，用經(jīng)典尖銳界面模型去跟蹤界面演化，會(huì)遭遇到嚴(yán)重的數(shù)值困難。并且真實(shí)材料中的相界或晶界實(shí)際上并不是嚴(yán)格的零厚度界面，而是具有一定厚度（納米尺度）的邊界層，這層厚度控制材料相變動(dòng)力學(xué)，由此引入一個(gè)序參量場(chǎng)區(qū)分兩相（如固相和液相），該方法為相場(chǎng)法（Phase-field method, PFM），相場(chǎng)法被廣泛應(yīng)用于模擬液/固相變（枝晶生長(zhǎng)、多元多相凝固、多晶凝固等）、固態(tài)相變（沉淀相析出、馬氏體相變、鐵電相變等）、應(yīng)力相變（薄膜生長(zhǎng)，定向粗化）、結(jié)構(gòu)缺陷相變（裂紋擴(kuò)展、位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)）等。在微觀尺度內(nèi)，還有微觀動(dòng)力學(xué)模擬等方法。

介觀尺度（晶粒尺寸大小），主要有元胞自動(dòng)機(jī)法，以晶粒生長(zhǎng)為例，元胞自動(dòng)機(jī)的模擬過程主要有確定形核、選擇時(shí)間步長(zhǎng)、計(jì)算溫度場(chǎng)、計(jì)算溶質(zhì)場(chǎng)、計(jì)算界面元胞的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、確定胞狀態(tài)、捕捉鄰胞、計(jì)算曲率等過程組成。

宏觀尺度（宏觀試樣大?。?，主要是有限元分析(Finite Element Analysis, FEA)方法，該方法是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，還利用簡(jiǎn)單而又互相作用的元素就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。

圖4 密度泛函理論（DFT）軟件包（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

計(jì)算材料學(xué)在化學(xué)、材料等學(xué)科中運(yùn)用非常廣泛，常見量子化學(xué)模擬軟件包括：VASP、Materials Studio、Gaussian等。這些軟件主要針對(duì)分子層面的微觀問題的模擬計(jì)算，在給定分子結(jié)果的前提下可以計(jì)算材料的光譜性質(zhì)、電子結(jié)構(gòu)、分子不同構(gòu)象的能級(jí)等等。

計(jì)算材料學(xué)的應(yīng)用場(chǎng)景

（1）在催化劑開發(fā)中能夠基于量子力學(xué)預(yù)測(cè)反應(yīng)活性位點(diǎn)，考察催化反應(yīng)機(jī)理。

圖5 在化學(xué)中具有廣泛適用性的密度泛函

（2）針對(duì)潤(rùn)滑油，高分子和流體微觀分析，計(jì)算材料學(xué)在納米尺度采用基于分子力學(xué)的物理模型能夠預(yù)測(cè)擴(kuò)散、滲透、表面吸附分子取向和粘度等性質(zhì)。

圖6 用分子動(dòng)力學(xué)原子學(xué)方法探討瀝青質(zhì)模型在甲苯、庚烷和兩親物中的結(jié)構(gòu)溶解度關(guān)系

（3）針對(duì)液相熱力學(xué)行為，計(jì)算材料學(xué)能夠基于COSMO-RS預(yù)測(cè)極性組分的分配系數(shù)，萃取及液液相平衡，溶解度和固液相平衡，氣體溶解度和復(fù)雜體系增氣壓，吸附模型，界面張力，純物質(zhì)的密度和粘度等。研究者們計(jì)算log Kow作為第一個(gè)篩選參數(shù)來估計(jì)生物體內(nèi)的積累率。

圖7 溴化苯聚苯乙烯的環(huán)境命運(yùn)、生物積累和潛在毒性的計(jì)算評(píng)估

（4）并通過引入高通量虛擬篩選，快速篩選目標(biāo)材料。

圖8 高通量結(jié)合計(jì)算材料學(xué)（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

眾多研究機(jī)構(gòu)近年來一直致力于將材料基因組思想用于鋰電池材料的開發(fā)中，發(fā)展了基于離子輸運(yùn)性質(zhì)的鋰電池材料高通量計(jì)算流程和相關(guān)工具，使用該高通量計(jì)算工具，研究人員對(duì)無(wú)機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中1000余種含鋰材料的離子輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了高通量計(jì)算篩選，搜索了可能用于下一代固態(tài)鋰二次電池的固態(tài)電解質(zhì)材料。對(duì)于鋰離子電導(dǎo)率較高的硫化物，采用不同精度結(jié)合的高通量計(jì)算研究了固體電解質(zhì)β-Li