材料工作室軟件在《計算材料學基礎》本科教學中的應用初探

侯秀麗

摘 要： 隨著計算水平的迅猛發展，計算機模擬研究已經與實驗研究和理論研究并列，成為一種基本的材料科學研究手段。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工作者的青睞。本文對材料工作室軟件在《計算材料學基礎》本科教學中做探討，重點在第一性原理計算和分子動力學兩個方面。為材料工作室軟件在《計算材料學基礎》本科教學中的應用提供參考。

關鍵詞： 計算材料學 材料工作室軟件 本科教學 第一性原理 分子動力學

計算材料學是一門正在快速發展的新型學科，屬于材料科學與計算機科學的交叉學科，是利用計算模擬手段對材料的組成、結構、性質及服役性能之間關系進行研究的學科。材料的成分、結構與性質之間的關系是材料學專業永恒的主題。傳統材料研究以實驗室觀察為主，是一門實驗科學。隨著材料學研究對象的空間尺度不斷變小，研究對象越來越精細，原子已成為材料研究的內容，對功能材料甚至需要研究到電子結構的層次，傳統的研究方法已經不能揭示材料性能的本質。隨著科技的發展，現在已經能夠從量子力學基本原理出發計算材料體系的各種性質，包括原子結構、電子結構、熱動力學特性，甚至超高溫、超高壓等極端環境下的材料服役性能，從而實現材料性能的改善和新材料的設計。隨著計算水平的迅猛發展，計算機模擬研究已經與實驗研究、理論研究并列，成為三種基本的材料科學研究手段之一。

計算材料科學主要包括兩方面內容：一方面是驗證實驗與解釋實驗，即從實驗數據出發，建立模型，模擬實驗過程，從原子和電子角度揭示內在機理，加深對材料本質的認識。另一方面是預測新材料的新性能，即直接通過理論模型的計算，預測新材料的結構與性能，使材料研究更具有方向性和前瞻性，有助于原始創新，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算機模擬平臺，可實現從量子、分子、納米到介關的多尺度計算機模擬，可從空間角度和時間角度對材料性質進行研究。它擁有眾多模塊，可根據具體需求選擇。目前材料工作室軟件已成功應用于制藥、化工、能源、電子、新材料等領域。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。

計算材料學的基礎理論晦澀難懂，沒有量子力學基礎的學生很難理解。學生往往聽得昏昏欲睡，課堂上死氣沉沉。《計算材料學基礎》教學集中在物理概念上，不用過分關注細節。材料工作室軟件具有良好的可視界面，可以給學生直觀的認識，從而激發他們學習的熱情，從教師的角度講有利于教學。第一性原理和分子動力學是計算材料學中非常重要的兩個方面，下面對這兩個方面進行具體描述。

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，并根據量子力學的基本原理最大限度地對問題進行“非經驗性”處理。材料工作室軟件擁有CASTEP和DMol3兩個非常重要的第一性原理模塊。CASTEP模塊是由劍橋大學凝聚態理論研究組開發的一款基于密度泛函理論的先進量子力學程序，它采用平面波函數描述價電子，利用贗勢替代芯電子。DMol3是由Bernard Delley教授開發的，它采用原子軌道線性組合的方法描述體系的電子狀態，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是采用數值函數描述原子軌道，這樣可以兼顧計算精度和效率。這兩個模塊均可用于金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料的計算。既可以用于研究體相材料，如材料的晶體結構、彈性模量、電子結構，等等，又可以用于研究材料的表界面性質，如材料表面的分子吸附、化學反應，等等。

由于材料工作室軟件優良的可視界面，因此可以在窗口清晰地展示材料的晶體結構。材料工作室軟件可以在工作窗口對材料的原子構型進行各種操作，包括旋轉、平移等，能夠讓學生清楚直觀地認識，帶領學生認識材料學的奧妙，激發學生學習興趣。在材料電子結構方面，相較于其他計算材料軟件，材料工作室軟件可以直觀顯示出布里淵區路徑，從而解決學生對這個困難知識點的認識，有利于教學。在多相催化反應方面，材料工作室軟件能夠清楚地計算出從反應物分子到產物分子的反應過程，同時給出反應能和反應能壘，從而給出催化劑催化活性的定量判據。

二、分子動力學

分子動力學模擬方法是按照體系內部的內稟動力學規律確定位形的轉變，跟蹤系統中每個粒子的個體運動，然后根據統計物理規律，給出微觀量與宏觀可觀測量的關系。分子動力學是將電子的運動與原子核的運動分開處理，電子的運動用量子力學的方法處理，而原子核的運動用經典動力學方法處理。材料工作室軟件包含Discover、Forcite、GULP等多個分子動力學模塊，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，給學生直觀認識。其中，Discover以多個經過仔細推導和驗證的力場為基礎，可以準確計算出最低能量構象，并可給出不同系統下體系結構的動力學軌跡，周期性邊界條件的引入使得它可以對固體體系進行研究，如晶體、非晶和溶劑化體系。Forcite是先進的經典分子力學工具，可以對分子或周期性體系進行快速的能量計算及可靠的幾何優化及動力學模擬，可以實現模擬淬火、退火等功能。

三、結語

通過將材料工作室軟件引入《計算材料學基礎》課程教學，可以將知識點形象化、可視化，能夠激發學生學習興趣，點燃學生進行材料科學研究的激情。不僅適合于材料專業的學生，而且適用于物理和化學專業學生。

參考文獻：

[1]張躍，谷景華，尚家香，馬岳.計算材料科學基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[2]徐慧，等.凝聚態物理專題[M].長沙：中南大學出版社，2009.

基金項目：江蘇大學高級人才啟動基金（項目號：12JDG094）；江蘇省自然科學基金青年基金（項目號：BK20130519）。