新兴交叉学科— 计算材料学

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新兴交叉学科— 计算材料学
) F9 R% {4 J" D+ c8 a    随着科学技术的发展，科学研究的体系越来越复杂，传统的解析推导方法已
0 D* e8 \$ y4 m不敷应用，甚至无能为力。计算机科学的发展和计算机运算能力的不断提高，为
, D7 I1 x( I, ^4 l8 W1 u; K* j% C复杂体系的研究提供了新的手段。以材料这样一个典型的复杂体系为研究对象的
新学科— 计算材料科学也应运而生，并迅速得到发展。
    对于复杂体系，由于理论研究往往不能给出解析表达，或者即使能够给出解
析表达也常常不能求解，因此也就失去了对实验研究的指导意义。反之，失去了
理论指导的实验研究，也只能在原有的工作基础上，根据科研人员的经验理解、
分析与判断，在各种工艺条件下反复摸索，反复实验。之所以造成理论研究和实
验研究相互脱节的根本原因并不在于理论和实验本身，而是由于人们为了追求能
% ], ]# Z6 j1 }3 v8 @+ c够全面而准确地反映客观实际，使理论模型变得十分复杂，无法直接解析求解。
: w* L4 z+ t2 H. U8 g4 x5 [    计算材料科学的发展无论是在理论上还是在实验上都使原有的材料研究手
段得以极大的改观。它不仅使理论研究从解析推导的束缚中解脱出来，而且使实
验研究方法得到根本的改革，使其建立在更加客观的基础上，更有利于从实验现
象中揭示客观规律，证实客观规律。因此，计算材料科学是材料研究领域理论研
究与实验研究的桥梁，不仅为理论研究提供了新途径，而且使实验研究进入了一
个新的阶段。
    研究体系的复杂性表现在多个方面，从低自由度体系转变到多维自由度体
; ]2 L* f, J" w1 x3 M系，从标量体系扩展到矢量、张量系统，从线性系统到非线性系统的研究都使解
析方法失去了原有的威力。因此，借助于计算机进行计算与模拟恰恰成为唯一可能的途径。复杂性是科学发展的必然结果，计算材料科学的产生和发展也是必然
0 ?2 E: g6 w! z% I趋势，它对一些重要科学问题的圆满解决，充分说明了计算材料科学的重要作用和现实意义。
    计算材料科学涉及的学科领域极广，并渗透到诸多方面。计算材料科学除数
值计算以外，还有许多的应用领域，其中计算机模拟是一个潜力巨大的发展方向。
' 1.1.2材料科学中的计算机模拟
    近年来，计算机模拟作为一个新兴的研究领域越来越受到人们的关注。材料
! f3 T# ^& Y: U. j$ P! N科学中的计算机模拟是计算材料科学的一个重要组成部分，已成为计算机技术的
) I+ @: B. l" _1 a: f5 j一个重要应用领域。
    计算机模拟对实验有重要的指导意义，其研究方法和研究风格更接近于实验
科学，困此，‘有人称之为 “数值实验，’o
    计算机模拟主要包括下面三个步骤:
7 ?( n1 O' m8 I; ]+ ^, ~    1)^根据理论分析建立模型;
    2)利用计算机科学与技术对模型进行计算、求解、分析并到相关的结果;
/ G/ z' V( a5 {% g, m    3)将所得到的结果应用于实验。
    模拟过程一方面是理论对实验的指导，另一方面也是实验对理论的检验。在
& K: q" b3 I' P: L8 c0 B整个模拟过程中，理论的指导使实验研究的条件和范围大大缩小。实验的验证结
+ {+ w5 Q6 k' |# g# X( b果促使设计者反过来再修改原有的模型，甚至理论本身，然后在新的模型基础上
再模拟计算，如此形成一个客观、科学的良性循环。理论对实验的指导意义和实
验对理论的验证作用相辅相成、相互促进。    用蒙特卡洛(Monte Carlo)算法研究薄膜生长是一个典型的计算机模拟随机
- w4 p0 x; _, \- I过程的问题。它是集计算机科学、计算数学、材料科学、表面科学、物理化学中
许多问题于一体的一个复杂的交叉课题，涉及到
3 Z" y- M0 v: R5 _5 Q      1)模拟对象的物理性质、化学性质、表面结构及其相关的微观参数;
    2)分析建模;
9 C6 E: \* d  r6 S      3)构造算法;
    4)编写软件;
    5)模拟运行;
, u" a/ d" D; h      6)数据处理与分析;    7)提出对实验有指导意义的建议。
) Q1 g4 y; f' X* s& r9 Q# Y- i    该课题对研究者各方面的知识、技能、经验和合作精神都有很高的要求。往
往由于受到研究者交叉学科知识、技能的储备以及软硬件环境条件菜如需要大型
高速计算机和多功能软件包)等诸多因素的制约，使得该类课题的研究受到一定
程度的限制。

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