Materials Studio軟件在材料物理教學與科研中的應用

楊華哲

(中國醫科大學公共基礎學院生物物理教研室，遼寧 沈陽 110122)

?

Materials Studio軟件在材料物理教學與科研中的應用

楊華哲

(中國醫科大學公共基礎學院生物物理教研室，遼寧 沈陽 110122)

如何在以教學為主的工作部門開展學術研究是一個具有挑戰性的課題。筆者結合在材料物理教學和科研中的實踐，通過研究商用計算軟件在材料物理教學與科研中的應用及優勢，嘗試促進教學-科研轉化。通過將不同材料的晶體結構參數輸入Materials Studio軟件中相對應模塊，構建晶體可視化模型， 用于顯示材料的微觀結構和研究其熱力學穩定性。通過可視化界面操作，有利于學生直觀了解材料晶體結構對其物理及化學性質的影響規律，提高學生興趣；同時，通過該軟件理論計算功能可以輔助相關科研實驗，并為實驗結果提供理論依據。將可視化操作的計算機模擬軟件與材料物理教學和科研相結合，為以教學為主相關科室開展教學學術提供了參考。

材料物理；計算機模擬；教學學術

許多大學在對教師的考核中仍存在著重學術，輕教學的問題，尤其在教員職稱評定中，論文的產出和科研項目的承擔等學術成果才是最重要的權重，而教學業績更多地被認為是無關輕重的“附屬品”。這無疑會打擊教師教學積極性，影響學校的教學質量。針對這些問題，美國教育家、卡內基教學促進基金會主席厄內斯特·博耶提出“教學學術”的概念，確立了在教學過程中所形成的知識的學術地位[1]。筆者在之前的論文中曾經提及我國醫科院校的物理教師艱難的發展環境，并結合自身經驗就如何促進物理課教學與科研結合提出了一些建議[2]。本文將具體結合筆者在物理教學和科研中的實例以說明目前相關同行協調教學和科研工作中遇到的一些問題以及筆者的探索和感悟。

目前，在我校，很多同事為提高物理課授課的教學質量，傾注了大量精力準備教學課件，比如通過自學“Materials Studio”“Mathematica”“Ansys”等軟件建立可視化物理模型，將復雜的物理理論形象化，在教學中顯著地提高了教學效果(簡化部分繁瑣的理論推導，縮短課堂的教學時間，提高了學生的興趣)。但與此同時，大部分教師苦于沒有足夠時間與精力開展科研項目，而且學校的物理學相關科研平臺尚不完善，影響了科研工作的開展。同時，學校的績效及職稱評定等考核基本都是基于論文與項目等量化指標，而一線教師在教學中的相關貢獻無法量化體現，極大地影響了教師的工作熱情。這種現象在醫科院校的普通基礎課教師中具有普遍性。因此，能否在教學中提煉科學問題并開展相關理論研究，以便在有限的時間及精力條件下既能保質保量完成教學工作，又能解決一些科研問題，滿足學校的考核要求(論文、基金等)，對于基礎課教師具有十分重要的意義。

本文通過筆者在教學和科研的實例，詳細介紹了如何利用計算機模擬軟件Materials Studio建立材料微觀結構模型，幫助學生更快更好地理解復雜的物理知識，促進了課堂教學效果；在此基礎上通過計算相關材料的熱力學穩定性，為實驗結果提供理論依據，發表了相關學術論文[3-5]，促進了教學成果向科研成果的轉化。

1 利用Materials Studio軟件建立模型

在醫學物理課的授課過程中，很多章節會涉及到材料學的相關知識。由于其專業性較強，且理論比較抽象，醫學生很難理解。尤其是材料的微觀結構，成為很多醫學生的“夢魘”。利用計算機模擬軟件Materials Studio，可以在可視化的操作界面中建立相關材料的晶體模型，利于學生的理解。現介紹Materials Studio軟件及筆者建模實例。

Materials Studio是美國Accelrys公司開發的一個采用服務器/客戶機模式的材料模擬和建模軟件。其操作界面如圖1所示。Materials Studio是一個模塊化的環境。每種模塊提供了不同的結構確定、性質預測或模擬方法，便于用戶選擇符合要求的模塊與Materials Visualizer組成一個無縫的環境。目前，Materials Studio已成為材料學、物理學與化學中模型建立和材料熱力學穩定性分析的重要軟件，在國內外兄弟院校中被廣泛采用。現就筆者在醫用鎂合金材料方面的建模實例進行講解。

圖1 Materials Studio軟件的操作界面

在材料物理的授課過程中，醫用鎂合金作為可降解生物材料具有十分重要的意義。在講到鎂合金降解性能及生物相容性相關內容時涉及到鎂合金基體及第二相的相關性質。由于第二相含量少，難以分析其結構與性質，因此在教材甚至論文中難以找到相關的圖片，增加了學生理解的難度。在教學過程中，筆者選擇目前常見的Mg-Zn-Zr合金、Mg-Ca合金、Mg-Sr合金和Mg-Al-Zn合金作為對象，并根據參考文獻中查詢到的相關數據選擇通過模型展示如下的第二相和基體相：MgZn2、Mg2Ca、Mg2Sr、Mg17Al12和 Mg基體。上述研究對象的晶體結構參數如表1所示。根據上述數據，首先對于單獨的第二相和Mg基體進行建模。在建模過程中由Materials Studio軟件輸入第二相及基體相的晶體結構參數并對晶胞數量進行設定。此外，考慮到鎂合金作為醫用材料所處的環境，建立了水分子模型。為了在教學中展示直觀簡單的模型，同時為后續的科研簡化計算過程，選擇一個單胞作為研究對象，所獲得的圖形如圖2所示。

表1 第二相和鎂晶體的晶體結構數據[3]

圖2 鎂合金中鎂基體和第二相的晶體模型[3]： (a) Mg matrix; (b) MgZn2; (c) Mg2Ca; (d) Mg2Sr and (e) Mg17Al12

在教學過程中，學生雖然無法完全理解點陣群等抽象的概念，但由于該晶體模型的建立全程均可視化，可以任意調整位置和旋轉，有利于學生更直觀地了解相關結構，為理解材料的結構及性質奠定了基礎，并提高了學生的學習興趣和教學質量。類似的方法同樣采用在電磁學的授課中：在講解超導材料時，介紹了可以采用溶膠-凝膠方法制備Bi系超導材料，同時采用Materials Studio軟件對Bi系超導材料的前驅絡合物進行建模[5]，對于學生理解如何從前驅物獲得超導體的過程奠定了基礎，相關教學工作獲得了理想的結果。

此外，上述模型的建立對于科研也具有十分重要的意義：由于上述模型結構復雜且在不同環境中容易發生相變，因此其熱力學穩定性很難通過實驗進行研究，是科研中的難點。因此，筆者嘗試將教學與科研結合起來，以建立的模型為基礎開展熱力學穩定性的相關研究。Materials Studio軟件內置多種計算模塊，只要綜合考慮此前建立的模型和實驗中具體的環境，利用不同模塊的計算功能，可以開展相關模型的熱力學穩定性研究并獲得相關數據，極大地促進科研進展并獲得相關成果。同時，該研究不受實驗科學中的設備限制，對于科研實驗平臺不完善的部門具有借鑒意義。受到該靈感的啟發，筆者針對教學中自己已經建立的物理模型開展了如下的計算工作。

2 利用Materials Studio軟件進行熱力學計算

在上述的可視化模型的基礎上，以鎂合金第二相的熱力學穩定性計算為例，開展了相關學術研究：對鎂合金不同組分的熱力學穩定性進行了計算和分析，并結合筆者在醫用鎂合金降解特性的實驗研究數據[4]，研究醫用鎂合金的降解機制，研究思路如圖3所示，具體過程及結果如下：

圖3 熱力學計算的研究流程

對于已經建立的晶體模型，利用Materials Studio 軟件中的DMol3模塊計算不同模型的熱力學參數。DMol3模塊為密度泛函(DFT)量子力學程序，其在商業化量子力學程序中是唯一可以模擬氣相、液相、固相及表面的程序，目前已廣泛應用于物理學、材料學及化學等諸多領域。其計算能力強大且支持并行計算，其操作界面如圖4所示。

圖4 Dmol3模塊的操作界面

本研究嘗試對鎂基體及第二相進行建模，并采用DMol3模塊對設計的結構模型進行幾何結構優化和能量計算，并與實驗結果進行比較：對于已經建好的模型，首先通過“Geometric Optimization”(即幾何結構優化)模塊對不同材料的幾何結構進行優化。在此基礎上，通過“Energy”(即能量)模塊對優化后的模型能量進行計算，獲得相應的各相的總能量。考慮到每種相包含的原子數量不同，計算各相能量與所含原子數的比例，獲得平均每個原子對應的能量值，即可表征該相的熱力學穩定性。在第二相中，MgZn2相的平均能量值最低，Mg2Ca相和Mg2Sr相的平均能量相差不大，而Mg17Al12相的平均能量最高。而對于鎂基體，其能量高于所有的第二相。因此，在無外界條件的干擾下，第二相的熱力學穩定性均高于鎂基體。上述研究為鎂合金作為可降解植入材料的研究奠定了基礎。

結合上述研究，我們利用實驗合成了Mg17Al12材料，并通過電化學工作站和浸泡實驗測試了其耐蝕性能[4]。研究結果表明Mg17Al12的耐蝕性能顯著高于鎂基體，該結果與熱力學計算結果相一致。因此，利用Materials Studio軟件進行物理建模和計算可以為實驗提供理論指導和數據支持。此外，筆者對于超導體Bi-2212的配合物前驅體的熱力學穩定性進行了類似的計算，研究了不同凝膠工藝影響超導體的相純度的相關機制[5]。該研究解決了實驗中由于前驅體在溶液中易發生相變而無法測試其穩定性的問題，為進一步工作奠定了基礎。

因此，本文以教學中的模型為基礎而開展科研，能夠在一定程度上利用教學研究時間為科學研究奠定基礎，不僅為解決教學為主的教師科研時間不足問題提供了一條可行的方案，而且為在教學工作中提煉相關科研問題提供了一個參考。

3 結語

采用計算機模擬軟件Materials Studio可以在可視化操作界面建立不同材料的晶體結構模型，可以為學生建立形象、直觀的圖像，利于學生理解相關物理理論。在此基礎上，通過Dmol3模塊對于不同材料的熱力學穩定性進行研究，提高學術科研能力。值得指出的是，本次教學與科研的嘗試是建立在Materials Studio商用軟件平臺進行建模和計算，軟件平臺版權是中國科學院武漢數學物理研究所提供的。因此，無論開展傳統意義上的研究型學術還是教學學術，學術合作也是必不可少的。筆者也希望兄弟院校能夠通過建立公共計算平臺，開展相關合作，最大程度地利用計算軟件資源。

[1] Boyer, E. L. Scholarship reconsidered: priorities of the professoriate. Princeton, NJ: Carnegie Foundation for the Advancement of Teaching, 1990.

[2] 楊華哲， 趙里昂，洪洋.中國醫科大學物理課教學改革的思考與實踐[J].物理與工程，2016, 26(1): 83-87. Yang Huazhe, Zhao Liang, Hong Yang. Review and Practice of Teaching Reform on Physics in China Medical School[J]. Physics and Engineering, 2014, 26(1): 83-87. (in Chinese)

[3] Yang Huazhe, Liu Chen, Wan Peng, et al. Study of Second Phase in Bioabsorbable Magnesium alloys: Phase Stability Evaluation via Dmol3 Calculation[J]. APL Materials, 2013, 1(5): 052104-1-052104-7.

[4] Liu Chen, Yang Huazhe, Wan Peng, et al. Study on Biodegradation of the Second Phase Mg17Al12in Mg-Al-Zn Alloys: In vitro Experiment and Thermodynamic Calculation[J]. Materials Science and Engineering: C, 2014, 35(1): 1-7.

[5] Yang Huazhe, M. Babar Shahzad, Yu Xiaoming, et al. Influence mechanism of secondary gel technique on Bi-2212 superconducting phase: Gel model simulation and verification[J]. Materials & Design, 2016, 99: 115-119.

■

APPLICATIONS OF MATERIALS STUDIO SOFTWARE IN MATERIAL PHYSICS TEACHING AND RESEARCH

Yang Huazhe

(Department of Biophysics,School of Fundamental Sciences, China Medical University, Shenyang Liaoning 110122)

It is a challenge to carry out scientific research in a department based on teaching. According to the teaching and research practice of material physics, we tried to promote the teaching-research transformation by studying the application and advantage of the commercial simulation software in material physics teaching and research. Crystal parameters of different materials were input into the relative module of Materials Studio software to build up the visual models. Then the microstructure of the materials could be displayed and the thermodynamic parameters of the crystal could be calculated. The interests of students in physics were stimulated in the process of teaching practice due to the visualized operation interface. In addition, the computer simulation can assist and provide theoretical explanations to the experimental results. Furthermore, teaching and scientific research can be combined through the simulation software, which provides feasible strategies to the scholarship of teaching in departments mainly based on teaching.

material physics; computer simulation; scholarship of teaching

2016-10-30

國家自然科學基金(編號：81500897)；國家留學基金(編號：201408210385)；遼寧省教育廳一般項目(編號：L2013285)。

楊華哲，男，副教授，主要從事物理學的科研與教學研究，hzyang@cmu.edu.cn。

楊華哲. Materials Studio軟件在材料物理教學與科研中的應用[J]. 物理與工程，2017，27(3)：52-55,62.