侯秀麗

摘 要： 隨著計算水平的迅猛發(fā)展，計算機模擬研究已經(jīng)與實驗研究和理論研究并列，成為一種基本的材料科學(xué)研究手段。材料工作室軟件由于具有良好的可視界面得到眾多材料科學(xué)工作者的青睞。本文對材料工作室軟件在《計算材料學(xué)基礎(chǔ)》本科教學(xué)中做探討，重點在第一性原理計算和分子動力學(xué)兩個方面。為材料工作室軟件在《計算材料學(xué)基礎(chǔ)》本科教學(xué)中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞： 計算材料學(xué) 材料工作室軟件 本科教學(xué) 第一性原理 分子動力學(xué)

計算材料學(xué)是一門正在快速發(fā)展的新型學(xué)科，屬于材料科學(xué)與計算機科學(xué)的交叉學(xué)科，是利用計算模擬手段對材料的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及服役性能之間關(guān)系進行研究的學(xué)科。材料的成分、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系是材料學(xué)專業(yè)永恒的主題。傳統(tǒng)材料研究以實驗室觀察為主，是一門實驗科學(xué)。隨著材料學(xué)研究對象的空間尺度不斷變小，研究對象越來越精細，原子已成為材料研究的內(nèi)容，對功能材料甚至需要研究到電子結(jié)構(gòu)的層次，傳統(tǒng)的研究方法已經(jīng)不能揭示材料性能的本質(zhì)。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)能夠從量子力學(xué)基本原理出發(fā)計算材料體系的各種性質(zhì)，包括原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、熱動力學(xué)特性，甚至超高溫、超高壓等極端環(huán)境下的材料服役性能，從而實現(xiàn)材料性能的改善和新材料的設(shè)計。隨著計算水平的迅猛發(fā)展，計算機模擬研究已經(jīng)與實驗研究、理論研究并列，成為三種基本的材料科學(xué)研究手段之一。

計算材料科學(xué)主要包括兩方面內(nèi)容：一方面是驗證實驗與解釋實驗，即從實驗數(shù)據(jù)出發(fā)，建立模型，模擬實驗過程，從原子和電子角度揭示內(nèi)在機理，加深對材料本質(zhì)的認識。另一方面是預(yù)測新材料的新性能，即直接通過理論模型的計算，預(yù)測新材料的結(jié)構(gòu)與性能，使材料研究更具有方向性和前瞻性，有助于原始創(chuàng)新，可以大大提高研究效率。

材料工作室軟件，即Materials Studio軟件，是美國Accelrys公司出品的多尺度計算機模擬平臺，可實現(xiàn)從量子、分子、納米到介關(guān)的多尺度計算機模擬，可從空間角度和時間角度對材料性質(zhì)進行研究。它擁有眾多模塊，可根據(jù)具體需求選擇。目前材料工作室軟件已成功應(yīng)用于制藥、化工、能源、電子、新材料等領(lǐng)域。材料工作室軟件具有良好的、可視的工作界面，這是它的一大特色。

計算材料學(xué)的基礎(chǔ)理論晦澀難懂，沒有量子力學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)生很難理解。學(xué)生往往聽得昏昏欲睡，課堂上死氣沉沉?！队嬎悴牧蠈W(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)集中在物理概念上，不用過分關(guān)注細節(jié)。材料工作室軟件具有良好的可視界面，可以給學(xué)生直觀的認識，從而激發(fā)他們學(xué)習(xí)的熱情，從教師的角度講有利于教學(xué)。第一性原理和分子動力學(xué)是計算材料學(xué)中非常重要的兩個方面，下面對這兩個方面進行具體描述。

一、第一性原理

第一性原理的基本思想是將多原子構(gòu)成的體系理解為由電子和原子核組成的多粒子體系，并根據(jù)量子力學(xué)的基本原理最大限度地對問題進行“非經(jīng)驗性”處理。材料工作室軟件擁有CASTEP和DMol3兩個非常重要的第一性原理模塊。CASTEP模塊是由劍橋大學(xué)凝聚態(tài)理論研究組開發(fā)的一款基于密度泛函理論的先進量子力學(xué)程序，它采用平面波函數(shù)描述價電子，利用贗勢替代芯電子。DMol3是由Bernard Delley教授開發(fā)的，它采用原子軌道線性組合的方法描述體系的電子狀態(tài)，也被稱為原子軌道線性組合方法。DMol3有別于其他方法的最重要特點是采用數(shù)值函數(shù)描述原子軌道，這樣可以兼顧計算精度和效率。這兩個模塊均可用于金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料的計算。既可以用于研究體相材料，如材料的晶體結(jié)構(gòu)、彈性模量、電子結(jié)構(gòu)，等等，又可以用于研究材料的表界面性質(zhì)，如材料表面的分子吸附、化學(xué)反應(yīng)，等等。

由于材料工作室軟件優(yōu)良的可視界面，因此可以在窗口清晰地展示材料的晶體結(jié)構(gòu)。材料工作室軟件可以在工作窗口對材料的原子構(gòu)型進行各種操作，包括旋轉(zhuǎn)、平移等，能夠讓學(xué)生清楚直觀地認識，帶領(lǐng)學(xué)生認識材料學(xué)的奧妙，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在材料電子結(jié)構(gòu)方面，相較于其他計算材料軟件，材料工作室軟件可以直觀顯示出布里淵區(qū)路徑，從而解決學(xué)生對這個困難知識點的認識，有利于教學(xué)。在多相催化反應(yīng)方面，材料工作室軟件能夠清楚地計算出從反應(yīng)物分子到產(chǎn)物分子的反應(yīng)過程，同時給出反應(yīng)能和反應(yīng)能壘，從而給出催化劑催化活性的定量判據(jù)。

二、分子動力學(xué)

分子動力學(xué)模擬方法是按照體系內(nèi)部的內(nèi)稟動力學(xué)規(guī)律確定位形的轉(zhuǎn)變，跟蹤系統(tǒng)中每個粒子的個體運動，然后根據(jù)統(tǒng)計物理規(guī)律，給出微觀量與宏觀可觀測量的關(guān)系。分子動力學(xué)是將電子的運動與原子核的運動分開處理，電子的運動用量子力學(xué)的方法處理，而原子核的運動用經(jīng)典動力學(xué)方法處理。材料工作室軟件包含Discover、Forcite、GULP等多個分子動力學(xué)模塊，可用于研究材料的融化、凝固、分子吸附等。能夠從原子角度直接顯示材料融化、凝固及分子吸附的過程，給學(xué)生直觀認識。其中，Discover以多個經(jīng)過仔細推導(dǎo)和驗證的力場為基礎(chǔ)，可以準確計算出最低能量構(gòu)象，并可給出不同系統(tǒng)下體系結(jié)構(gòu)的動力學(xué)軌跡，周期性邊界條件的引入使得它可以對固體體系進行研究，如晶體、非晶和溶劑化體系。Forcite是先進的經(jīng)典分子力學(xué)工具，可以對分子或周期性體系進行快速的能量計算及可靠的幾何優(yōu)化及動力學(xué)模擬，可以實現(xiàn)模擬淬火、退火等功能。

三、結(jié)語

通過將材料工作室軟件引入《計算材料學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)，可以將知識點形象化、可視化，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，點燃學(xué)生進行材料科學(xué)研究的激情。不僅適合于材料專業(yè)的學(xué)生，而且適用于物理和化學(xué)專業(yè)學(xué)生。

參考文獻：

[1]張躍，谷景華，尚家香，馬岳.計算材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2]徐慧，等.凝聚態(tài)物理專題[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2009.

基金項目：江蘇大學(xué)高級人才啟動基金（項目號：12JDG094）；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金（項目號：BK20130519）。