計(jì)算材料學(xué)學(xué)習(xí)記錄1
平臺(tái)：Bohrium
老師：單斌教授

1.發(fā)展史

背景

材料的研究方法發(fā)展：

• 一切靠實(shí)驗(yàn)
• 理論開始起作用
• 理論撐起半邊天
  “……解決全部化學(xué)的規(guī)律的數(shù)學(xué)方法已
  完全知道了，困難只是在于這些方程太復(fù)
  雜，無法求解……”

復(fù)雜性體現(xiàn)在各個(gè)方面：
? 理論：由單體到多體、線性到非線性、低維到高維體系、標(biāo)量到矢量系統(tǒng)、常微分方程到偏微分方程、低級(jí)微擾到高級(jí)微擾、理想化模型到實(shí)際復(fù)雜模型、單一學(xué)科到綜合學(xué)科的研究
? 實(shí)驗(yàn)：研究對(duì)象和范圍的拓廣、研究精度、極限更高、設(shè)備更復(fù)雜、以及海量的的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 。

體系復(fù)雜性增加，理論與實(shí)驗(yàn)遇到了難以克服的困難：
? 過于繁瑣的計(jì)算：求解小分子電子波函數(shù)
? 大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：例如，一秒鐘產(chǎn)生100x100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)持續(xù)了一個(gè)小時(shí)，共計(jì)36000000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

計(jì)算材料學(xué)

“進(jìn)入21世紀(jì)以來，計(jì)算方法與分子模擬、虛擬實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)繼實(shí)驗(yàn)方法、理論方法之后，成為第三個(gè)重要的科學(xué)方法，對(duì)未來科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，將起著越來越重要的作用。 ” — 徐光憲院士

經(jīng)驗(yàn)科學(xué) --》 理論推理 --》 計(jì)算模擬 --》 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

2.計(jì)算方法分類

屬性分類
物理、化學(xué)、材料
尺寸
納觀、微觀、介觀、宏觀
納觀尺度
基本粒子：電子
主要理論：薛定諤方程
方法：量子力學(xué)

微觀尺度
基本粒子：原子
主要理論：牛頓力學(xué)
方法：蒙特卡洛、分子動(dòng)力學(xué)

介觀尺度
基本粒子：粗理子（組織、結(jié)構(gòu)）
主要理論：牛頓力學(xué)/統(tǒng)計(jì)熱力 學(xué)
相關(guān)理論不是很成熟

宏觀尺度
基本粒子：連續(xù)體
主要理論：理論力學(xué)、流體力學(xué)

材料模擬前沿
AI for Science

計(jì)算材料學(xué)基本流程
確定物理模型 --》 選擇數(shù)值方法 --》 分析計(jì)算結(jié)果 --》得到物理結(jié)論

3.計(jì)算材料學(xué)的應(yīng)用

背景
在一些特定條件下，實(shí)驗(yàn)方法無法實(shí)現(xiàn)、過于危險(xiǎn)、價(jià)格昂貴、盲區(qū)等
而計(jì)算材料學(xué)則可以替代、啟發(fā)、解釋實(shí)驗(yàn)、幫助發(fā)展理論
應(yīng)用實(shí)例

• 地球物理學(xué)
• 核武庫計(jì)算模擬
• 產(chǎn)品設(shè)計(jì)
• 生命科學(xué)
• 材料力、電、光、聲、磁性質(zhì)

預(yù)測(cè)材料的結(jié)構(gòu)和物性關(guān)系