本刊記者 李 丹

：計(jì)算材料學(xué)屬于交叉學(xué)科，是一門正在快速發(fā)展的新興學(xué)科，您認(rèn)為需要哪些知識(shí)儲(chǔ)備才能全面地理解研究?jī)?nèi)容？

孫志梅：計(jì)算材料學(xué)是材料科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)的交叉學(xué)科，涉及材料、物理、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、化學(xué)等多門學(xué)科，利用現(xiàn)代超級(jí)計(jì)算機(jī)，模擬材料的各種物理化學(xué)性質(zhì)，研究材料從微觀到宏觀多個(gè)尺度的各類現(xiàn)象與特征，預(yù)測(cè)材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，達(dá)到優(yōu)化材料或者設(shè)計(jì)新材料的目的。隨著對(duì)材料性能要求不斷提高，材料學(xué)研究對(duì)象的空間尺度在不斷變小，從微米級(jí)的顯微結(jié)構(gòu)拓展到電子層次。材料研究的難度越來越高，僅僅依靠試驗(yàn)來進(jìn)行材料研究已難以滿足現(xiàn)代新材料的發(fā)展需求，因此促進(jìn)了計(jì)算材料學(xué)的迅速發(fā)展。計(jì)算材料學(xué)根據(jù)有關(guān)基本理論，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下從納觀、微觀、介觀、宏觀尺度對(duì)材料進(jìn)行多層次研究。計(jì)算材料學(xué)研究對(duì)象的空間尺度從埃到米，時(shí)間尺度可以從飛秒到天甚至到年。不同尺度和不同層次所用的計(jì)算材料學(xué)理論方法也不同。如基于量子力學(xué)原理的第一性原理計(jì)算、基于統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的分子動(dòng)力學(xué)方法和基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的有限元方法等。

早期各種計(jì)算方法之間相對(duì)獨(dú)立，然而依靠單一的計(jì)算方法難以解決實(shí)際材料中的問題，需要發(fā)展多層次的集成計(jì)算方法。在固體電子結(jié)構(gòu)研究中，第一性原理計(jì)算的核心是求解薛定諤方程，計(jì)算過程中不需要使用任何經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，只需要一些基本物理量，即可得到材料的基本物理性能參數(shù)。但是薛定諤方程在描述真實(shí)復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，求解非常困難。直到Walter Kohn建立了密度泛函理論，以電荷密度代替波函數(shù)，才使得求解復(fù)雜體系的薛定諤方程成為可能。在分子結(jié)構(gòu)演化研究中，分子動(dòng)力學(xué)方法是通過給定的原子間相互作用勢(shì)，在一定邊界條件和熱力學(xué)條件下，求出原子所受到的力，建立體系粒子的牛頓運(yùn)動(dòng)方程，進(jìn)而求出原子在每一時(shí)刻的位置和速度，最后對(duì)體系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均得到宏觀物理量。第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)模擬在納觀和微觀層次都取得了巨大成功，將這兩種方法結(jié)合起來是人們一直追求的。Car R和Parrinello M 成功地將兩種方法有機(jī)地聯(lián)系起來，提出了第一性原理分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法，即在正確描述電子狀態(tài)和作用于各原子間力的基礎(chǔ)上進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬。它不僅能得到系統(tǒng)基態(tài)的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)，還可以研究有限溫度下系統(tǒng)的離子和電子特性。目前，在現(xiàn)代材料學(xué)研究中，計(jì)算材料學(xué)已經(jīng)成為與實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)同樣重要的研究手段，并且還在不斷發(fā)展。總之，從事材料計(jì)算，不僅要了解材料、化學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)的知識(shí)，還要了解加工和工程方面的內(nèi)容，各學(xué)科之間的相互交流和借鑒是非常重要的。

：談到材料計(jì)算學(xué)不得不提的就是近些年受到廣泛關(guān)注的材料基因組計(jì)劃，能否為我們做個(gè)簡(jiǎn)單的介紹？該計(jì)劃發(fā)揮了什么樣的作用？中國(guó)是否有此計(jì)劃？

孫志梅：2011年6月24日，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動(dòng)一項(xiàng)價(jià)值超過5億美元的“先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系”（Advanced Manufacturing Partnership，AMP）計(jì)劃，呼吁美國(guó)政府、高校及企業(yè)之間應(yīng)加強(qiáng)合作，以強(qiáng)化美國(guó)制造業(yè)領(lǐng)先地位，而“材料基因組計(jì)劃”（Materials Genome Initiative，MGI）作為AMP計(jì)劃中的重要組成部分，投資將超過1億美元。自2012年開始，美國(guó)全面實(shí)施MGI計(jì)劃，已投入數(shù)億美元資助MGI研究項(xiàng)目。為實(shí)施MGI計(jì)劃，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）建立了一個(gè)新的“先進(jìn)材料卓越研究中心”；威斯康星大學(xué)-麥迪遜新建立了“威斯康星材料創(chuàng)新研究院”；喬治亞理工新建立了“材料研究院（IMat）”；密西根大學(xué)新建立了“集成計(jì)算材料工程中心”；MIT設(shè)立了“材料計(jì)劃（Materials Project）”等。材料基因工程通過融合高通量計(jì)算、高通量試驗(yàn)、專用數(shù)據(jù)庫(kù)3大技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新材料研發(fā)由“試錯(cuò)法”向“理論預(yù)測(cè)、試驗(yàn)驗(yàn)證”模式轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到降低材料研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期的目的。

材料基因組計(jì)劃的關(guān)鍵在于計(jì)算、試驗(yàn)、數(shù)據(jù)庫(kù)之間的協(xié)作和共享。借力于信息技術(shù)，建立包括高通量材料計(jì)算、制備、表征、儀器裝備、數(shù)據(jù)庫(kù)、材料信息等新型共享平臺(tái)，是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代新材料研究方法的核心內(nèi)容。

通過材料基因組方法，美國(guó)在幾種先進(jìn)材料的研究中獲得了巨大成功。如MIT的Ceder G等人利用高通量的密度泛函理論計(jì)算，從兩萬種化合物中篩選出了3種最有希望的鋰電池材料，其性能與商用材料相比有大幅提高；美國(guó)GE公司采用材料基因組思想，依托公司內(nèi)部相近合金的數(shù)據(jù)庫(kù)，成功研發(fā)了GTD262高溫合金。GTD262高溫合金用Nb替代了GTD222合金中的Ta，使合金成本大幅降低，而且蠕變強(qiáng)度提高了一倍。GTD262合金研發(fā)和服役，從概念設(shè)計(jì)到工業(yè)生產(chǎn)過程歷時(shí)僅4年。

自2011年6月美國(guó)啟動(dòng)“材料基因組計(jì)劃”后，歐盟、日本等國(guó)迅速啟動(dòng)了類似研究計(jì)劃。我國(guó)材料界一直在關(guān)注加速材料研發(fā)的新方法，美國(guó)宣布材料基因組計(jì)劃后，我國(guó)科學(xué)家立即敏銳地捕捉到該計(jì)劃所釋放出的重要信息。在多位專家學(xué)者建議下，2011年7月中國(guó)工程院和中國(guó)科學(xué)院分別召開“材料基因組”研討會(huì)，12月召開“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”香山科學(xué)會(huì)議；2012年12月和2013年3月，中國(guó)工程院和中國(guó)科學(xué)院分別啟動(dòng)“材料基因組計(jì)劃”重大咨詢項(xiàng)目；2014年10月中國(guó)科學(xué)院向國(guó)務(wù)院報(bào)送了《實(shí)施材料基因組計(jì)劃，推進(jìn)我國(guó)高端制造業(yè)材料發(fā)展》的咨詢建議；2015年2月，中國(guó)工程院向國(guó)務(wù)院報(bào)送了《中國(guó)版材料基因組計(jì)劃》的咨詢建議，受到了高度重視。

材料基因組計(jì)劃以變革傳統(tǒng)研發(fā)模式為理念，以實(shí)施快速、低耗、創(chuàng)新發(fā)展為目標(biāo)，將為加速先進(jìn)材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展、開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用創(chuàng)造基礎(chǔ)。材料基因組計(jì)劃蘊(yùn)含著巨大挑戰(zhàn)性和歷史機(jī)遇，孕育著材料科學(xué)走向創(chuàng)新時(shí)代。

：您于2002年在中科院金屬研究所獲工學(xué)博士學(xué)位，2002～2007年先后在德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)冶金系和瑞典烏普薩拉大學(xué)物理系從事研究工作，2007年6月～2013年7月在廈門大學(xué)任職，2013年8月起加入北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。從事材料計(jì)算工作10余年，您和您的團(tuán)隊(duì)做了哪些工作，取得哪些進(jìn)展？

孫志梅：2013年加入北航后成立了集成計(jì)算材料科學(xué)中心（Integrated Computational Materials Engineering，ICME），邀請(qǐng)了各研究領(lǐng)域的老師加盟，包括計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、航空、材料、材料加工、固體力學(xué)等。中心旨在把基于多尺度模擬與材料模型的集成計(jì)算材料工程應(yīng)用到材料科學(xué)與工程各學(xué)科，變革材料研發(fā)模式，縮短研發(fā)周期，降低成本，實(shí)現(xiàn)從原子到零部件（器件）的快速研發(fā)。北航ICME中心擁有一支專業(yè)領(lǐng)域互補(bǔ)、年齡結(jié)構(gòu)合理、活躍在科研前沿的創(chuàng)新隊(duì)伍。中心現(xiàn)有2名教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授、2名國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者、3名中組部“青年千人計(jì)劃”入選者以及一批研究骨干，并且邀請(qǐng)了多名國(guó)際知名學(xué)者作為兼職教授或顧問。各專業(yè)的老師經(jīng)常交流合作，為促進(jìn)新材料研發(fā)飛躍式的發(fā)展提供了必要條件，學(xué)校也非常重視和認(rèn)可這個(gè)學(xué)科的發(fā)展模式。國(guó)外把集成計(jì)算材料科學(xué)作為一個(gè)學(xué)科已經(jīng)發(fā)展了很多年了，我們還有很長(zhǎng)的路要走。

在基礎(chǔ)研究方面，我們重點(diǎn)關(guān)注材料性能優(yōu)化與新材料預(yù)測(cè)。比如，我們通過理論計(jì)算提出了優(yōu)化相變存儲(chǔ)材料性能的方法。常規(guī)的方法是從元素周期表中選擇元素進(jìn)行試驗(yàn)，在電阻率方面有所改善，但是其他性能沒有得到同步的增長(zhǎng)，甚至變差，比如相穩(wěn)定性降低了。我們利用第一性原理計(jì)算結(jié)合無機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)，提出了快速獲得最優(yōu)化摻雜元素的新方法。理論計(jì)算表明，該化合物非常穩(wěn)定，且電阻率有明顯提高，計(jì)劃進(jìn)一步做試驗(yàn)驗(yàn)證。

在新材料預(yù)測(cè)方面，主要關(guān)注二維過渡金屬層狀碳化物/氮化物（MXene）。近年來發(fā)現(xiàn)的MXene是最大的二維材料族，它們展現(xiàn)出優(yōu)越的物理化學(xué)性質(zhì)，在鋰電池、磁性器件、光催化等很多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。MXene體系因其種類和性能異常豐富，恰好為“材料基因組計(jì)劃”的研究提供了一個(gè)很好的模型體系，我們將對(duì)該族二維材料做全面的理論計(jì)算，并積累數(shù)據(jù)，建成小型的數(shù)據(jù)庫(kù)，為今后的試驗(yàn)研究和應(yīng)用提供參考。目前，我們?cè)贛Xene的研究中已取得系列進(jìn)展，包括研究了MXene的微觀剝離機(jī)制、預(yù)測(cè)了Tn+1CnTx在柔性電子器件中的潛在應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)了Cr2C中半金屬和半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)及鐵磁和反鐵磁的轉(zhuǎn)變，預(yù)測(cè)了MXene的光催化性質(zhì)等。

孫志梅：從我個(gè)人經(jīng)歷談一些感想，主要有以下幾個(gè)方面：

（1）嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度。我所在的德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)所從事薄膜材料的研究。他們?cè)谧龀练e薄膜試驗(yàn)之前，會(huì)將市場(chǎng)上不同公司的同一類型靶材全部購(gòu)買來做試驗(yàn)，采用不同的靶材在相同工藝條件下制得薄膜，測(cè)試薄膜性能，最終檢測(cè)出使用哪個(gè)公司的靶材得到的薄膜性能最好、最穩(wěn)定。不同公司的產(chǎn)品在生產(chǎn)工藝上有所不同，對(duì)薄膜材料性能的影響是非常大的。他們?cè)诔练e薄膜前花大量的時(shí)間對(duì)不同的靶材進(jìn)行研究，以便穩(wěn)定沉積工藝，縮小影響因素的控制范圍。然而，就是這些細(xì)致的前期工作，保證了快速地沉積出高質(zhì)量的薄膜材料。此外，他們?cè)谌粘９ぷ髦幸脖３至藝?yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)，辦公室整理得井井有條，任何文字工作都有標(biāo)準(zhǔn)模版，而且分門別類管理，包括參考文獻(xiàn)的查閱，這樣大大提高了工作效率。

（2）自由的學(xué)術(shù)氛圍。我所在的瑞典烏普薩拉大學(xué)物理系，學(xué)術(shù)討論和交流非常多。每天有固定的工作間隙休息時(shí)間，大家聚在一起，就像聊天一樣，各自提出遇到的問題和新的想法，不同方向的研究人員一起討論，從不同的角度提出看法和解決方案。在寬松愉快的交流中，不同研究領(lǐng)域的思想的相互碰撞往往會(huì)產(chǎn)生新的靈感。

（3）勤奮的探索精神。我所在課題組的德國(guó)和瑞典教授都有共同的特點(diǎn)，就是勤奮的探索精神。對(duì)德國(guó)和瑞典的教授，學(xué)校并不嚴(yán)格考核其產(chǎn)出，但是他們依然非常勤奮，堅(jiān)持研究和指導(dǎo)學(xué)生等。在他們眼里，探索未知是樂趣和享受，他們往往為搞清楚一個(gè)科學(xué)問題而進(jìn)行經(jīng)年累月的研究。持之以恒的專注也是他們成功的原因。例如，材料計(jì)算軟件的開發(fā)，涉及多學(xué)科交叉，對(duì)計(jì)算機(jī)和專業(yè)知識(shí)要求很高，且經(jīng)歷時(shí)間很長(zhǎng)，需要一代一代的研究者持續(xù)做這件事情。而歐洲的科研團(tuán)隊(duì)做到了，他們開發(fā)了大部分的商業(yè)化材料計(jì)算軟件。

從我的教學(xué)和科研工作來看，我認(rèn)為我們還需在以下方面進(jìn)行努力：

（1）擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)軟件的開發(fā)。關(guān)于材料計(jì)算，目前較為嚴(yán)重的問題是我們?nèi)狈哂凶灾髦R(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件。國(guó)外的商業(yè)化計(jì)算軟件種類較多，發(fā)展也較為成熟，但是現(xiàn)有的軟件有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并不能完全滿足計(jì)算材料學(xué)發(fā)展的需求，這就需要我們有既懂專業(yè)又懂算法的交叉學(xué)科人才來研發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件。

（2）交叉學(xué)科人才的培養(yǎng)。目前的材料人才培養(yǎng)、專業(yè)設(shè)置仍偏向傳統(tǒng)的材料研發(fā)。隨著材料信息化的發(fā)展，交叉領(lǐng)域的研究越來越多，傳統(tǒng)培養(yǎng)方法難以跟上發(fā)展的節(jié)奏。如前所述，計(jì)算材料領(lǐng)域涵蓋了計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)、材料信息、機(jī)械、物理、材料、化學(xué)等學(xué)科，我們亟需培養(yǎng)一大批具有交叉學(xué)科知識(shí)儲(chǔ)備，熱愛科研并能靜下心來鉆研的人才，為材料研發(fā)工作打好基礎(chǔ)。