材料工作室軟件在《計(jì)算材料學(xué)基礎(chǔ)》本科教學(xué)中的應(yīng)用初探

侯秀麗

摘 要： 隨著計(jì)算水平的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬研究已經(jīng)與實(shí)驗(yàn)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(jì)算材料學(xué)基礎(chǔ)》本科教學(xué)中做探討，重點(diǎn)在第一性原理計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面。為材料工作室軟件在《計(jì)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(jì)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(dòng)力學(xué)

計(jì)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(jì)算機(jī)科學(xué)的交叉學(xué)科，是利用計(jì)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(jìn)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(shí)驗(yàn)室觀察為主，是一門實(shí)驗(yàn)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(xì)，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(jì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)材料性能的改善和新材料的設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算水平的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬研究已經(jīng)與實(shí)驗(yàn)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(jì)算材料科學(xué)主要包括兩方面內(nèi)容：一方面是驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與解釋實(shí)驗(yàn)，即從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，建立模型，模擬實(shí)驗(yàn)過程，從原子和電子角度揭示內(nèi)在機(jī)理，加深對材料本質(zhì)的認(rèn)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(jì)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(jì)算機(jī)模擬平臺，可實(shí)現(xiàn)從量子、分子、納米到介關(guān)的多尺度計(jì)算機(jī)模擬，可從空間角度和時(shí)間角度對材料性質(zhì)進(jìn)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(jì)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。《計(jì)算材料學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)集中在物理概念上，不用過分關(guān)注細(xì)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(rèn)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(dòng)力學(xué)是計(jì)算材料學(xué)中非常重要的兩個(gè)方面，下面對這兩個(gè)方面進(jìn)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(jìn)行“非經(jīng)驗(yàn)性”處理。材料工作室軟件擁有CASTEP和DMol3兩個(gè)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(jìn)量子力學(xué)程序，它采用平面波函數(shù)描述價(jià)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(diǎn)是采用數(shù)值函數(shù)描述原子軌道，這樣可以兼顧計(jì)算精度和效率。這兩個(gè)模塊均可用于金屬材料、無機(jī)非金屬材料和高分子材料的計(jì)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(jìn)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(rèn)識，帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)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(jì)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(gè)困難知識點(diǎn)的認(rèn)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(jì)算出從反應(yīng)物分子到產(chǎn)物分子的反應(yīng)過程，同時(shí)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(dòng)力學(xué)

分子動(dòng)力學(xué)模擬方法是按照體系內(nèi)部的內(nèi)稟動(dòng)力學(xué)規(guī)律確定位形的轉(zhuǎn)變，跟蹤系統(tǒng)中每個(gè)粒子的個(gè)體運(yùn)動(dòng)，然后根據(jù)統(tǒng)計(jì)物理規(guī)律，給出微觀量與宏觀可觀測量的關(guān)系。分子動(dòng)力學(xué)是將電子的運(yùn)動(dòng)與原子核的運(yùn)動(dòng)分開處理，電子的運(yùn)動(dòng)用量子力學(xué)的方法處理，而原子核的運(yùn)動(dòng)用經(jīng)典動(dòng)力學(xué)方法處理。材料工作室軟件包含Discover、Forcite、GULP等多個(gè)分子動(dòng)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(rèn)識。其中，Discover以多個(gè)經(jīng)過仔細(xì)推導(dǎo)和驗(yàn)證的力場為基礎(chǔ)，可以準(zhǔn)確計(jì)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(dòng)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(jìn)行研究，如晶體、非晶和溶劑化體系。Forcite是先進(jìn)的經(jīng)典分子力學(xué)工具，可以對分子或周期性體系進(jìn)行快速的能量計(jì)算及可靠的幾何優(yōu)化及動(dòng)力學(xué)模擬，可以實(shí)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(jì)算材料學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)，可以將知識點(diǎn)形象化、可視化，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，點(diǎn)燃學(xué)生進(jìn)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(xiàn)：

[1]張躍，谷景華，尚家香，馬岳.計(jì)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(xiàng)目：江蘇大學(xué)高級人才啟動(dòng)基金（項(xiàng)目號：12JDG094）；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金（項(xiàng)目號：BK20130519）。