重振科学基石——第一性原理优化方案

第一性原理是通过求解薛定谔方程来计算电子结构的方法，它不依赖于任何经验常数，仅需5个基本参数：电子质量、电子电荷、普朗克常数、光速和玻尔兹曼常数［73］。使用第一性原理法可计算得出微系统的状态和运动特点、组分之间的关系、材料的结构和性能。由此，具有一定特性的材料就可以被设计出来。

第一性原理的基础是密度泛函理论［74］，它是一种非经验的数值计算方法，其计算起点是求解多粒子体系的薛定谔方程，即

其中，μ为离子质量，V（r）为势场函数，Ψ为粒子的稳态波函数，为普朗克常数。

实际上，每立方厘米的固体通常都含有1023量级的原子核和电子，对于这样一个多粒子体系，使用薛定谔方程很难精确加以求解。通常都采用一些近似方法，如非相对论近似、波恩奥本海默近似、哈特利-福克自洽场近似等。(www.xing528.com)

使用第一性原理计算方法，可以预测合金体系的热力学性质［75］，如结构能和潜热等，通过创建第一性原理和统计热力学之间必要的关系，也可以获得多组元合金体系中关于温度和组分含量的函数。将得到的热力学参数转化为Redlich-Kister/Bragg-Williams格式，再与相图计算方法相结合即可计算出体系相图。Kaufman等人［76］使用这种方法计算了Cr-Ta-W三元系的等温截面图。此外，相图计算方法也可以与集团变分法或蒙特卡洛方法相结合直接计算出相图［77］。

迄今，第一性原理的计算算法已经得到了深入研究［78，79］，通常使用的计算软件有Vienna Ab-initio Simulation Package（VASP）、Gaussian等。