材料计算与设计的内涵、层次及主要方法

材料是由许多相互接近的原子排列而成，排列可以是周期性的，也可以是非周期性的。材料中离子和电子的数目均达到10²⁴/cm³的数量级，这是一个复杂的多粒子系统，虽然原则上可以通过量子力学对系统进行求解，但由于过于复杂，必须借助经验规律、采取合理的简化和近似才能用于实际材料的计算。材料设计中的计算主要是通过计算机模拟实现的，计算机模拟对象遍及从材料研制到使用的全过程，包括合成、结构、性能、制备和使用等。随着计算机技术的进步和人类对物质不同层次的结构及动态过程理解的深入，可以用计算机精确模拟的对象及内容日益增多。纳米复合材料因集中纳米材料和基体材料两者的优势，而成为未来新材料设计的首选对象。在纳米材料设计中，主要关注纳米复合材料的功能设计、合成设计和这种特殊的复合体系的稳定性设计，力求解决复合材料组分的选择、复合时的混合与分散、复合工艺、复合材料的界面作用及复合材料物理稳定性等问题，最终获得优良性能、多功能的纳米复合新材料，同时丰富了纳米复合材料强化理论。

关于材料计算与设计（Materials Computation and Design），迄今在国际上还没有统一的流行术语或提法，最早的材料设计工作范围是在1985年由日本三岛良绩提出的。一般说来，从材料制备到材料性能、再到使用，都属于材料设计的工作范围，其中包括组成、结构和特性的微观设计在内，如图8-3所示^[16]。随着固体物理、量子化学、统计力学、计算机模拟技术以及以原子分子为起始物，并能在微观尺度上控制其结构的现代先进材料合成技术的发展，使得材料设计方法主要是在经验规律基础上进行归纳或从第一性原理出发进行计算演绎到不同尺度多种理论设计方法（如分子动力学方法、蒙特卡罗方法等）相互结合与补充。因此，完整的材料设计内涵，是指以计算机为手段，通过理论与计算对材料的固有性质、结构与组分、使用性能以及合成与加工进行综合研究的一门新学科方向，其目的在于使人们能主动地对材料进行结构与功能的优化与控制，以便按需要制备新材料。简而言之，所谓材料计算与设计就是通过理论计算与设计指导“订做”具有特定性能的新材料。材料设计在材料加工制备过程中起重要作用，尤其是以原子、分子为起始物采用化学和物理学方法进行材料合成，要求在微观尺度上控制其结构时，离不开理论的指导。不仅如此，研究者今天已处在应用理论和计算来“设计”材料的初期阶段，并且设计的内容贯穿在材料制备、性能表征预测及使用的各个环节，而其核心部分仍是在物理、化学原理基础上对材料性能-微观结构关系进行理论计算与分析。

图8-3 材料设计的相关工作图和研究范围

a）相关工作图 b）研究范围(www.xing528.com)

从广义上说，材料设计可按研究对象的空间尺度不同而划分为三个层次：微观设计层次，空间尺度在约1nm量级，是原子、电子层次的设计；连续模型层次，典型尺度在约1μm量级，这时材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为；工程设计层次，尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。这三个层次的研究对象、理论方法和任务是不同的，有关理论方法、空间尺度及相应的时间尺度三者之间的对应关系如图8-4所示。从图8-4可以看到，在不同的时间/空间尺度范畴内所用理论方法是不同的，它们是从量子力学计算到分子动力学及蒙特卡罗模拟，然后是缺陷动力学、统计力学，再向连续介质力学方法过渡。但各种理论方法又是相互联系的，前一级时间/空间尺度范畴计算所输出的结果，可作为下一级（较大）时间/空间尺度范畴进行计算的输入。这里我们主要集中介绍材料的微观结构设计，内容稍微涉及同连续模型设计的衔接问题。

图8-4 材料模型的层次划分与理论方法

在对材料进行原子尺度的计算模拟时，就要对该类材料的电子结构进行第一性原理的计算，无论是用能带理论还是用量子化学方法，如果能将材料中粒子之间的相互作用势用适当的“有效势”来取代，既能省时省工，又能大体上反映出由相互作用势所决定的电子结构，以及由电子结构所决定的材料性质。基于“有效势”的这种原子尺度计算模拟技术还包括分子动力学方法、蒙特卡罗方法。分子动力学方法是计算量较大的模拟方法，它是对离散的时步来求解牛顿运动方程，因而在模拟中包括了动能，可以预测纳米尺度上的材料动力学特性，如薄膜生长、纳米晶体力学行为、材料表面及界面力学行为等。蒙特卡罗方法实际上是一种统计力学的计算技术，对结构引入某种随机变化，并根据能量判据加以取舍，这对于处理无序系统如薄膜沉积过程特别有利。