1. 材料設(shè)計(jì)與模擬的主要內(nèi)容是什么？

材料模擬與計(jì)算設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)主要內(nèi)容：一個(gè)是材料的計(jì)算模擬，即通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)際過程；另一個(gè)是材料的計(jì)算設(shè)計(jì)，即直接通過材料的理論模型和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，預(yù)測(cè)或設(shè)計(jì)新材料結(jié)構(gòu)與性能。

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材料模擬與計(jì)算設(shè)計(jì)架起了從微觀結(jié)構(gòu)到宏觀性質(zhì)，從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用的橋梁。小到納米尺度的原子分子團(tuán)簇，大到飛機(jī)航母等大尺度的宏觀材料性質(zhì)都能通過不同的方法進(jìn)行計(jì)算模擬。

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隨著材料科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，我們能實(shí)現(xiàn)多尺度、高通量的材料模擬和計(jì)算設(shè)計(jì)，這將有助于我們理解材料結(jié)構(gòu)與性能、功能之間的關(guān)系，引導(dǎo)新型功能材料發(fā)現(xiàn)和發(fā)明， 縮短新材料研發(fā)周期，降低新材料研發(fā)過程成本。

2. 材料設(shè)計(jì)與模擬在材料科學(xué)中的地位如何？

如果按照傳統(tǒng)的材料制備、測(cè)試、分析，再結(jié)合理論研究的方法研究新材料，材料從研發(fā)到應(yīng)用往往需要通過反復(fù)的測(cè)試和改進(jìn)過程，這些過程需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的時(shí)間并且耗費(fèi)大量的資源。

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但是，隨著量子力學(xué)基本理論的建立和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們可以首先通過計(jì)算機(jī)對(duì)新材料的原子結(jié)構(gòu)以及基本性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算模擬，從而大量的節(jié)省新材料研發(fā)過程的物力人力，減少環(huán)境污染，并且大大的縮短了新材料研發(fā)的周期。

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材料模擬與計(jì)算設(shè)計(jì)是繼實(shí)驗(yàn)研究方法、理論研究方法之后的第三個(gè)重要科學(xué)研究方法，對(duì)未來科學(xué)技術(shù)的發(fā)展將起到越來越重要的作用。材料的理論模擬與計(jì)算設(shè)計(jì)是結(jié)合現(xiàn)代 的材料科學(xué)與技術(shù)、物理學(xué)基本原理以及計(jì)算機(jī)技術(shù)而產(chǎn)生的新興學(xué)科，已經(jīng)成為當(dāng)前材料科學(xué)研究中最為活躍的熱點(diǎn)之一。

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3. 中國(guó)的“材料基因工程”計(jì)劃何時(shí)起步？

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材料計(jì)算模擬與計(jì)算設(shè)計(jì)一直以來都受到了美國(guó)、歐盟、日本、新加坡等世界主要國(guó)家和地區(qū)的重視。2011年6 月24 日，美國(guó)宣布了一項(xiàng)總金額超過5億美元的“推進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系”計(jì)劃，其中“材料基因組計(jì)劃”（其本質(zhì)是計(jì)算材料科學(xué)）是其重要的組成部分之一。

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“材料基因組計(jì)劃”擬通過新材料研制周期內(nèi)的政府、高校及企業(yè)之間的合作，注重實(shí)驗(yàn)技術(shù)、理論計(jì)算和數(shù)據(jù)庫之間的協(xié)作和共享，通過搜集眾多科學(xué)研究小組以及企業(yè)有關(guān)新材料的各種數(shù)據(jù)和信息，并且構(gòu)建專門的數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)共享?！安牧匣蚪M計(jì)劃”解決了新材料從實(shí)驗(yàn)室到工廠過程中的一些問題，有望使新材料的研發(fā)周期減半，研發(fā)成本降低到原來的幾分之一。

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中國(guó)工程院在2012 年12 月21 日召開了《材料科學(xué)系統(tǒng)工程發(fā)展戰(zhàn)略研究—中國(guó)版材料基因組計(jì)劃》重大項(xiàng)目啟動(dòng)會(huì)，掀開了中國(guó)材料設(shè)計(jì)與模擬領(lǐng)域遠(yuǎn)景規(guī)劃的序幕。預(yù)計(jì)到2049 年，中國(guó)建國(guó)100周年的時(shí)候，新的材料設(shè)計(jì)和模擬方法將不斷優(yōu)化，新材料數(shù)據(jù)庫也將不斷完善，材料的理論研發(fā)和工廠生產(chǎn)有望實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接。

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4. 介紹一下電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的發(fā)展？

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材料所有的宏觀性質(zhì)都由材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)決定，因此新材料的研發(fā)離不開材料的計(jì)算與模擬，準(zhǔn)確而有效的理論計(jì)算和模擬將會(huì)有效的減少材料的研發(fā)周期并且降低材料的研發(fā)成本。

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在材料的計(jì)算與模擬過程中電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算將是影響整個(gè)材料性能的關(guān)鍵，材料電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法也隨著時(shí)代的變遷而進(jìn)步。

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材料電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法基本分為兩類，半經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算方法和第一性原理計(jì)算方法：

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半經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算方法在歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上擬合出相似規(guī)律的計(jì)算參數(shù)并應(yīng)用到其他的體系上；

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而第一 性原理計(jì)算方法是指在計(jì)算時(shí)除了告訴程序你所使用的原子和它們的位置外，沒有其它任何實(shí)驗(yàn)的、經(jīng)驗(yàn)的或者半經(jīng)驗(yàn)的參量。它是通過求解體系的薛定諤方程，從而得到相應(yīng)材料的各種宏觀性質(zhì)。

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理論上任何材料的結(jié)構(gòu)和性能都能從對(duì)應(yīng)的薛定諤方程求解得到，因而第一性原理計(jì)算在材料計(jì)算與模擬領(lǐng)域便顯得十分重要。

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第一性原理計(jì)算在過去50多年的時(shí)間里經(jīng)歷了較為漫長(zhǎng)的發(fā)展過程，最初電子結(jié)構(gòu)理論的經(jīng)典計(jì)算方法，特別是Hartree-Fock 方法和后Hartree-Fock方法，是基于復(fù)雜的多電子波函數(shù)的。隨后發(fā)展起來的密度泛函理論（Density Functional Theory，DFT）是用電荷密度取代電子波函數(shù)作為研究的基本量。因?yàn)槎嚯娮硬ê瘮?shù)有3N個(gè)變量（N 為總電子數(shù)，每個(gè)電子包含三個(gè)空間變量）， 然而電荷密度則僅僅是三個(gè)變量的函數(shù)，因此，密度泛函理論無論在概念上還是實(shí)際應(yīng)用上都比傳統(tǒng)的 Hartree-Fock方法更加方便處理。

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5. 原子尺度材料設(shè)計(jì)與模擬方法的發(fā)展如何？

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（1）原子尺度材料設(shè)計(jì)的方法與精度問題

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密度泛函理論是原子尺度材料設(shè)計(jì)最常用的方法，它主要是通過求解Kohn-Sham方程來實(shí)現(xiàn)的。?

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在Kohn-Sham的框架中，最難處理的多體問題被簡(jiǎn)化成了一個(gè)沒有相互作用的電子在有效勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的問題。這個(gè)有效勢(shì)場(chǎng)包括了外部勢(shì)場(chǎng)以及電子間庫侖相互作用的影響，即交換和關(guān)聯(lián)相互作用。

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密度泛函理論近似求解方法從最初局域密度近似（LDA）到廣義梯度近似（GGA），meta-GGA，hyper- GGA 以及隨機(jī)相近似的過程。新發(fā)展的交換關(guān)聯(lián)泛函或第一原理計(jì)算方法能夠克服原有方法的某種缺陷和不足，并且比原來的計(jì)算方法有更高的計(jì)算精度。

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密度泛函理論的“雅克比階梯”

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因此，通過不斷的修正交換關(guān)聯(lián)泛函或改進(jìn)計(jì)算方法，可以不斷的提高材料模擬與計(jì)算精度，形成了一個(gè)可以達(dá)到理想計(jì)算精度“天堂”的“雅克比階梯”（上圖）。

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（2）原子尺度材料設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

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密度泛函理論的發(fā)展是隨著時(shí)代的進(jìn)步與時(shí)俱進(jìn)的，同時(shí)也受著時(shí)代發(fā)展的制約。一般來說越為精確的方法越是需要越多的計(jì)算資源做支撐， 雅克比階梯上越靠近理想精度“天堂”的方法越 需要極其龐大的計(jì)算資源。

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目前的第一性原理電子結(jié)構(gòu)計(jì)算只能計(jì)算原子數(shù)目不多的小體系或者周期性的系統(tǒng)，而在原子數(shù)目較多的大體系上的 應(yīng)用還相當(dāng)困難。

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然而未來的材料計(jì)算，大尺度的材料計(jì)算與模擬將會(huì)是一種趨勢(shì)，尤其是在基于像云計(jì)算和量子計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，原子數(shù)較多的大體系計(jì)算也有可能在未來幾十年內(nèi)便可實(shí)現(xiàn)。

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隨著新的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的不斷發(fā)展和進(jìn)步，電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算誤差可以進(jìn)一步減小，材料計(jì)算和模擬的精度進(jìn)一步提高，計(jì)算結(jié)果將與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加接近。

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到2049 年時(shí)，新的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，比如新的交換關(guān)聯(lián)泛函的出現(xiàn)，或許能夠彌補(bǔ)許多現(xiàn)行方法的不足之處，亦有可能精確的實(shí)現(xiàn)計(jì)算模擬結(jié)果和實(shí)際材料性能的無縫銜接。材料的計(jì)算模擬的結(jié)果都能夠很好的與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相匹配，引領(lǐng)實(shí)驗(yàn)和新材料研發(fā)的方向。

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我們只要給出既定的材料性能需求，便可在海量的材料庫中找出或者匹配出相應(yīng)的材料，通過進(jìn)一步的計(jì)算模擬得出最優(yōu)的結(jié)果，再引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)得到這樣的材料，這樣在短時(shí)間內(nèi)便可實(shí)現(xiàn)需求到產(chǎn)品這樣的流程，將會(huì)大大縮短人類對(duì)新材料的研發(fā)周期和研發(fā)成本。

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6.?分子尺度材料設(shè)計(jì)與模擬方法的發(fā)展如何？

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（1）分子尺度材料設(shè)計(jì)與模擬的概念與分類

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在當(dāng)今材料計(jì)算科學(xué)研究中，分子動(dòng)力學(xué)（Molecular Dynamics，MD）無疑是一項(xiàng)極其重要的模擬手段。自1957 年Alder 等人首次在硬球模型下，采用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬方法成功研究了氣體和液體的狀態(tài)方程來，分子動(dòng)力學(xué)便正式出現(xiàn)在人們的視線里并開始嶄露頭角。尤其是在20 世紀(jì)80 年代后期，得益于日新月異的計(jì)算機(jī)技術(shù)，分子動(dòng)力學(xué)模擬更是得到了飛速發(fā)展，被成功地廣泛應(yīng)用于材料， 物理，化學(xué)，生物，醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。

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分子動(dòng)力學(xué)方法會(huì)如此廣泛的受到科學(xué)工作者的青睞自然與它自身性質(zhì)息息相關(guān)。首先分子動(dòng)力學(xué)它是一套結(jié)合了物理，數(shù)學(xué)和化學(xué)綜合技術(shù)的分子模擬方法，而所謂的分子模擬則是利用計(jì)算機(jī)來模擬實(shí)驗(yàn)上原子核的運(yùn)動(dòng)過程，從而得到實(shí)驗(yàn)上基本無法觀測(cè)到的原子尺度上的微觀細(xì)節(jié)。故它與蒙特卡洛方法一起享有“計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)”的贊譽(yù)。但與蒙特卡洛方法相比，利用分子動(dòng)力學(xué)模擬可以計(jì)算得到更加準(zhǔn)確和有效的熱力學(xué)量及其他宏觀性質(zhì)。因此作為實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要輔助手段，分子動(dòng)力學(xué)自然從其誕生伊始便在材料計(jì)算與模擬領(lǐng)域大放異彩。

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另外，不同于需要求解薛定諤方程從而得到電子波函數(shù)的密度泛函理論，經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)假定原子的運(yùn)動(dòng)遵守的是牛頓運(yùn)動(dòng)方程。這樣，要進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬就剩下獲取原子間相互作用勢(shì)，即得到相應(yīng)的電子基態(tài)。而采用密度泛函理論理論就能夠得到電子基態(tài)結(jié)構(gòu)，然而由于該方法計(jì)算的復(fù)雜，對(duì)于超過上百個(gè)原子的體系，計(jì)算量就已達(dá)到驚人的地步。有鑒于此，分子動(dòng)力學(xué)巧妙的利用了經(jīng)驗(yàn)勢(shì)來代替原子間實(shí)際作用勢(shì)，如早期常見的二體勢(shì)（Lennard Jones 簡(jiǎn)稱LJ 勢(shì)，Morse 勢(shì)，Johnson 勢(shì)等） 以及后來出現(xiàn)的多體勢(shì)（EAM 勢(shì)等）。如此一來，整個(gè)體系的計(jì)算量大大降低，故而相比傳統(tǒng)的第一性原理計(jì)算方法，采用分子動(dòng)力學(xué)所對(duì)應(yīng)的體系無論是在空間尺度還是在時(shí)間尺度上都有了質(zhì)的提 升。

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（2）分子尺度材料模擬的基本特點(diǎn)

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分子動(dòng)力學(xué)在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)分子模擬一般來說可以分為如下幾步：

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1. 設(shè)定模擬所采用的模型，主要也就是勢(shì)函數(shù)和力場(chǎng)的選取。常見的勢(shì)函數(shù)如前所述主要就是二體勢(shì)和多體勢(shì)，常見的力場(chǎng)包括全原子、聯(lián)合和粗?；?chǎng)；

2. 確定初始條件，即給定初始構(gòu)型和粒子的初始速度。一個(gè)合理的初始構(gòu)型可以加快系統(tǒng)趨向平衡，在確定起始構(gòu)型之后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)波爾茲曼分布賦予各個(gè)原子的初始速度；

3. 趨向平衡過程。當(dāng)初始條件和邊界條件給定后，這時(shí)就可以根據(jù)牛頓力學(xué)以及預(yù)先給定的相互作用勢(shì)來解運(yùn)動(dòng)方程，計(jì)算粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。但此時(shí)的系統(tǒng)并非是一個(gè)平衡狀態(tài)， 計(jì)算出的能量也并非是穩(wěn)定的系統(tǒng)的能量，因此此刻得到的物理量是沒有實(shí)際意義的。為了使得系統(tǒng)達(dá)到平衡，模擬中會(huì)給系統(tǒng)增加或者移出能量，直到持續(xù)給出一段穩(wěn)定的能量值。那么稱此刻的系統(tǒng)達(dá)到平衡，到達(dá)平衡狀態(tài)的這段時(shí)間稱為弛豫時(shí)間。 實(shí)際上在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，為了合理盡快的得到平衡狀態(tài)，時(shí)間步長(zhǎng)的選取至關(guān)重要；

4. 宏觀性質(zhì)的計(jì)算體系達(dá)到平衡后，就可以通過沿相空間軌跡來求體系的構(gòu)型積分，然后以構(gòu)型積分的結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)一步計(jì)算體系的熱力學(xué)量和其他宏觀物理性質(zhì)。

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下圖為其主要流程圖：

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分子動(dòng)力學(xué)方法在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)分子模擬的主要流程圖

然而經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)在選用經(jīng)驗(yàn)勢(shì)時(shí)，雖然可以加快計(jì)算，但除了經(jīng)驗(yàn)勢(shì)自身的局限性之外，它還完全丟失了局域電子之間強(qiáng)相關(guān)作用信息，這樣在模擬中它既不能得到成鍵性質(zhì)也不能得到電子性質(zhì)。 為了彌補(bǔ)這一缺陷，1985 年，Car 和Parrinello 在經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上引入了電子虛擬動(dòng)力學(xué)，首次把密度泛函理論與分子動(dòng)力學(xué)有機(jī)結(jié)合起來，提出了從頭算（ab initio） 分子動(dòng)力學(xué)方法（簡(jiǎn)稱CPMD 方法），極大的改善了傳統(tǒng)分子動(dòng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)勢(shì)的不足。另外近些年基于SCC-DFTB 理論可以更加準(zhǔn)確的研究大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)效應(yīng)?？梢哉f正是第一性原理分子動(dòng)力學(xué)的出現(xiàn)，才使得計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的 廣度和深度得到了極大的擴(kuò)展。

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（3）分子尺度材料模擬的發(fā)展方向

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對(duì)于未來分子動(dòng)力學(xué)方法的發(fā)展和改善，將主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)。

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第一，計(jì)算方法的改進(jìn)。無論是經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)的經(jīng)驗(yàn)勢(shì)還是將密度泛函理論與分子動(dòng)力學(xué)有機(jī)結(jié)合，無不體現(xiàn)出人類智慧的結(jié)晶。 然而人類的智慧是無窮無盡的，尤其是站在先輩的肩膀上，未來更加完善更加精確的方法出現(xiàn)也是指日可待的。不管是通過第一性原理方法來尋找更加精確的交換關(guān)聯(lián)泛函，還是另辟蹊徑得到準(zhǔn)確的體系微觀相互作用，分子動(dòng)力學(xué)勢(shì)必會(huì)得益于此從而在計(jì)算材料領(lǐng)域有著更加廣泛的應(yīng)用。屆時(shí)不僅對(duì)傳統(tǒng)的吸附傳輸問題有著更加深刻的理解，極端條件如高溫高壓下穩(wěn)定性預(yù)測(cè)也能成功實(shí)現(xiàn)。另外諸如薄膜的形成，材料的生長(zhǎng)等一系列復(fù)雜的微觀動(dòng)力學(xué)過程將會(huì)栩栩如生的展現(xiàn)在人類面前；

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第二，高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展?，F(xiàn)如今計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展已令人目不暇接，未來計(jì)算機(jī)性能更是讓人無法估測(cè)?？梢钥隙ǖ氖歉L(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)力學(xué)演化，更大尺度的體系和更精確的分子動(dòng)力學(xué)模擬都將成為可能。有了高性能計(jì)算機(jī)的支撐，對(duì)于未來的分子動(dòng)力學(xué)模擬，其研究的系統(tǒng)規(guī)模可以輕松達(dá)到數(shù)百萬個(gè)原子，模擬時(shí)間不再是納秒、微秒量級(jí)，而將跨越毫秒甚至達(dá)到秒量級(jí)，再一次實(shí)現(xiàn)計(jì)算領(lǐng)域的重大突破。那樣一來材料科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒋蠓鶖U(kuò)展，實(shí)驗(yàn)材料成本大幅降低，新穎材料的理論預(yù)測(cè)亦將 統(tǒng)統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。甚至利用分子動(dòng)力學(xué)讓計(jì)算機(jī)完全代替實(shí)驗(yàn)也未嘗沒有可能。

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總而言之，精度、速度、空間、時(shí)間是分子動(dòng)力學(xué)未來發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)，高性能計(jì)算機(jī)則是推動(dòng)它前進(jìn)的動(dòng)力源泉。毫無疑問的是分子動(dòng)力學(xué)方法必將在材料計(jì)算與模擬領(lǐng)域留下極其濃厚的一筆。

7. 多尺度高通量材料設(shè)計(jì)有何特點(diǎn)？

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對(duì)于材料性質(zhì)的研究，理論計(jì)算與模擬具有極強(qiáng)的理論指導(dǎo)性及預(yù)見性，能夠較好的解釋實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)中的不足提出改進(jìn)，進(jìn)一步指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。理論模擬計(jì)算研究材料性質(zhì)的兩種最常用的方法是密度泛函理論和分子動(dòng)力學(xué)。密度泛函理論能從電子的層面探討材料的光學(xué)、磁性、力學(xué)等性質(zhì)，而分子動(dòng)力學(xué)從原子的尺度研究材料的熱力學(xué)性質(zhì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和新的理論計(jì)算方法的應(yīng)用，多尺度高通量篩選新材料、設(shè)計(jì)新器件已經(jīng)成為材料計(jì)算模擬領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)。

高通量多尺度計(jì)算來研究及設(shè)計(jì)材料，是2011年美國(guó)提及的“材料基因計(jì)劃”中的重要概念，是未來實(shí)現(xiàn)材料的快速研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的主要手段，能更好的走出理論設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)研究、應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化，即學(xué)- 研- 產(chǎn)的道路。高通量設(shè)計(jì)材料，是根據(jù)材料的化學(xué)組分及基本信息，再基于基本的理論研究方法及材料設(shè)計(jì)需求，并應(yīng)用或發(fā)展新的算法，植入到或整合現(xiàn)有的理論代碼，或發(fā)展新的計(jì)算模擬軟件，來達(dá)到設(shè)計(jì)材料的目的。

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多尺度計(jì)算，主要是針對(duì)材料的不同尺度、不同環(huán)境研究需求，在保持精度的同時(shí)提高計(jì)算速度，從而在不同的尺度下研究材料性質(zhì)?；诨纠碚摰母咄慷喑叨饶M，必將成為設(shè)計(jì)材料的強(qiáng)力手段。

8.?多尺度高通量材料設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀如何？

（1）基于多尺度材料設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)軟件發(fā)展

高通量計(jì)算，即基于基本的量子力學(xué)及物質(zhì)的化學(xué)組分，根據(jù)外部條件，設(shè)定特定的目標(biāo)函數(shù)，來預(yù)測(cè)或?qū)ふ以囼?yàn)中合成的新材料，為實(shí)驗(yàn)提供解釋或指導(dǎo)，設(shè)計(jì)新材料。

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近年來，吉林大學(xué)馬琰銘教授課題組開發(fā)了功能強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)軟件CALPSO（Crystal structureAnalysis byParticleSwarmOptimization），該軟件首次將粒子群算法引入到結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)之中。該軟件可以實(shí)現(xiàn)能量目標(biāo)導(dǎo)向型結(jié)構(gòu)搜索（比如尋找給定原子種類和數(shù)目結(jié)構(gòu)的能量最低結(jié)構(gòu)），根據(jù)晶體的空間群或者是隨機(jī)產(chǎn)生初始的結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行第一性原理精度（結(jié)合第一性原理軟件包VASP，CASTEP）結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并將能量作為目標(biāo)函數(shù)利用基因算法或粒子群算法一代一代的進(jìn)行結(jié)構(gòu)搜索，掃描結(jié)構(gòu)的多維空間，找到能量低的材料結(jié)構(gòu)。 以CALYSPO 為例，其已成功給出了實(shí)驗(yàn)上絕緣鋰結(jié)構(gòu)，其預(yù)測(cè)ABA2-40鋰結(jié)構(gòu)也被實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。

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作為該類方法的發(fā)展，更高的要求應(yīng)運(yùn)而生：能不能設(shè)計(jì)針對(duì)其他特定目標(biāo)的結(jié)構(gòu)，以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。作為一種擴(kuò)展，復(fù)旦大學(xué)的向紅軍教授便基于太陽能電池材料的基本物理化學(xué)性質(zhì)的要求，在CALYPSO 基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，并成功尋找可能具有直接帶隙并可能用于光吸收的Si20-T 材料。結(jié)合以上軟件的高通量計(jì)算，能夠空間的尋找結(jié)構(gòu)，從而使得搜索到所需材料的可能性大大提高。

基于以上軟件實(shí)現(xiàn)的高通量計(jì)算，能夠更大程度的搜索新材料的結(jié)構(gòu)，但仍然受計(jì)算量的限制。 因此降低計(jì)算量變得十分需要，對(duì)此現(xiàn)有兩種方案可以解決。

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第一，基于第一性原理的精度及分子動(dòng)力學(xué)的速度情況下進(jìn)行以上軟件的改進(jìn)，從而能更高效的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)。例如王才壯教授等人便對(duì)傳統(tǒng)GA 結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)軟件進(jìn)行了改進(jìn)，用到程序中第一性原理計(jì)算的擬合勢(shì)力場(chǎng)，用擬合的勢(shì)場(chǎng)結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)并用第一性原理計(jì)算軟件驗(yàn)證，其可以在提高搜索空間的情況下大大降低計(jì)算量。

第二，根據(jù)化學(xué)成鍵規(guī)律來減低搜索的空間。

（2）化學(xué)反應(yīng)的多尺度設(shè)計(jì)與模擬方法

除了預(yù)測(cè)新結(jié)構(gòu)，也可以針對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行的摻雜、過渡態(tài)的進(jìn)行高通量處理。例如，利用clus-ter expansion 與 Monte Carlo 相結(jié)合的ATAT（Alloy Theoretic Automated Toolkit）軟件，根據(jù)第一性 原理擬合展開集團(tuán)相互作用（effective cluster interaction）來研究合金、鋰電池材料及其他摻雜或空位 材料的性質(zhì)。這種方法，既可以實(shí)現(xiàn)高通量計(jì)算，也可以降低計(jì)算量。另外，對(duì)于涉及到化學(xué)反應(yīng)等過 渡態(tài)問題，由于其涉及到多個(gè)能量低點(diǎn)，并尋找兩種態(tài)之間可能低的能量勢(shì)壘。復(fù)旦大學(xué)劉智攀教授基通過利用隨機(jī)游走方法尋找光滑的勢(shì)能面，來解決此類問題。

9. 多尺度高通量材料模擬未來發(fā)展方向？

（1）多尺度材料智能搜索程序的發(fā)展

對(duì)于未來高通量多尺度的發(fā)展，應(yīng)該更貼近基礎(chǔ)理論的發(fā)展及算法改進(jìn)、基于結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)性質(zhì)的高通量篩選、更大尺度的系統(tǒng)考慮材料的性質(zhì)等方向。

我們現(xiàn)有的高通量的智能搜索程序，能解決很多問題。更多的考慮材料性質(zhì)導(dǎo)向性，并且能夠解決眾多的問題。

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例如，如果我們想要尋找更好的熱電材料，我們應(yīng)該在前面提到軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行定向的粗略篩選。充分考慮到電子、空穴有效質(zhì)量，材料的形變能及帶隙對(duì)熱電材料的要求，來達(dá)到目的。

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在電池領(lǐng)域的研究中，氧化還原反應(yīng)是其中的核心，合金材料可能會(huì)有很大的催化活性及極高的經(jīng)濟(jì)效益。并可以根據(jù)初始的氧化還原反應(yīng)對(duì)材料化學(xué)性質(zhì) 要求來實(shí)現(xiàn)，比如氧原子的在催化材料吸附作用適中是氧化反應(yīng)的前提，因此基于cluster expansion 方法尋找合適的合金材料（材料的基本結(jié)構(gòu)），來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)合成。

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另外，可以發(fā)展化學(xué)反應(yīng)的勢(shì)壘面，比如在催化反應(yīng)中尋找整個(gè)反應(yīng)的最可能路徑，最大程度的實(shí)現(xiàn)高通量篩選。

（2）新型功能材料的多尺度設(shè)計(jì)與模擬

新型功能材料的理論設(shè)計(jì)，離不開對(duì)其基本物理化學(xué)性質(zhì)的要求。高通量的計(jì)算，要基于對(duì)材料性質(zhì)的研究。

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實(shí)現(xiàn)特定功能的某一類材料，應(yīng)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，并對(duì)其基本的性質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)描述，并 且可以設(shè)置成為網(wǎng)絡(luò)共享的資源，材料設(shè)計(jì)所用。而新材料設(shè)計(jì)，除了要尋找及預(yù)測(cè)新的材料，也要綜合先前材料的性質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的合理拼接或是組合，以期望能提高一種或幾種性能，實(shí)現(xiàn)材料的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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首先，為了實(shí)現(xiàn)特定功能，可以利用現(xiàn)有材料的綜合特點(diǎn)整合來實(shí)現(xiàn)。比如，在太陽能領(lǐng)域的光催化材料，應(yīng)有較強(qiáng)的吸光能力，并且光產(chǎn)生的電荷空穴應(yīng)有效分離，來更有效的傳導(dǎo)光產(chǎn)生的電流。在現(xiàn)有的光催化材料中很少有單一的光催化材料能實(shí)現(xiàn)此類功能。因此，對(duì)兩種或者更多此類材料做成的p-n結(jié)有可能更好的實(shí)現(xiàn)此類功能。因此，高通量計(jì)算能夠針對(duì)不同的光催化材料進(jìn)行篩選，并建立相應(yīng)的庫，能更快實(shí)現(xiàn)光催化效率的提高。

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其次，作為材料的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮材料與周圍環(huán)境影響（材料與其他材料或液體的接觸），可能使不適合的某種目的材料能克服其缺點(diǎn)。通過高通量的篩選，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)材料的性能大幅度提高。

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最后，材料的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮其經(jīng)濟(jì)及其實(shí)際意義，通過高通量計(jì)算來實(shí)現(xiàn)新型替代材料的產(chǎn)業(yè)化。例如，金屬鉑在燃料電池中具有極高的催化效率，而地球中金屬鉑元素含量及其稀少。因此，高通量計(jì)算應(yīng)該針對(duì)此類為題進(jìn)行大量的理論及實(shí)際設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出更有效地 催化材料。

多尺度的計(jì)算材料設(shè)計(jì)，主要應(yīng)從兩方面進(jìn)行考慮：

同一材料不同尺度的模擬及不同材料在相同尺度的模擬。再結(jié)合高通量的材料計(jì)算和模擬，以便縮短材料設(shè)計(jì)周期，提高計(jì)算材料的可靠性。

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首先， 應(yīng)通過對(duì)不同材料不同尺度的模擬，更好的了解其性質(zhì)。第一原理與分子動(dòng)力學(xué)結(jié)合，是其中的發(fā)展方向之一：對(duì)于大體系的材料，部分通過分子動(dòng)力學(xué)模擬和核心部分進(jìn)行第一性原理模擬相結(jié)合。

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另一發(fā)展方向是以第一性原理研究其基本的性質(zhì)并建立適當(dāng)?shù)膭?shì)能函數(shù)，用分子動(dòng)力學(xué)描繪其更大的體系已達(dá)到介觀甚至宏觀的尺度。

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再者，應(yīng)對(duì)材料的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)時(shí)考慮不同尺度的模擬。例如在太陽能電池設(shè)計(jì)工程中，對(duì)于太陽能電池對(duì)太陽光的方向，光在太陽能電池外層的透光材料、吸光材料及收集電流的電流材料進(jìn)行多尺度系統(tǒng)研究，提高其效率，并且進(jìn)一步提高材料的系統(tǒng)有效性。

未來高通量多尺度的設(shè)計(jì)，應(yīng)該從基本理論計(jì)算方法的開發(fā)、滿足某一特性材料的物理化學(xué)基本特性的探索、新結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)及特定目標(biāo)導(dǎo)向性結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)算法及軟件的開發(fā)為工具，結(jié)合材料基本庫的建立及共享、已有材料特性的借鑒設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)新型或合成材料，并通過高通量多尺度的模擬以期望縮短新材料從設(shè)計(jì)到應(yīng)用的周期。

10. 材料數(shù)據(jù)庫的發(fā)展現(xiàn)狀如何？

（1）材料數(shù)據(jù)庫的用途

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伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和普及，材料數(shù)據(jù)庫技術(shù)已經(jīng)開始蓬勃發(fā)展。美國(guó)、歐盟、日本、新加坡等世界主要國(guó)家地區(qū)都非常注重材料計(jì)算與模擬的發(fā)展，組織實(shí)施了一系列相關(guān)的研究計(jì)劃和項(xiàng) 目。

特別是2011 年6 月美國(guó)發(fā)布“材料基因組計(jì)劃”后，引起了各國(guó)對(duì)材料計(jì)算與模擬的進(jìn)一步重視。我國(guó)也于2011 年12 月召開“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”香山會(huì)議，重點(diǎn)研討材料計(jì)算與模擬的發(fā)展。

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就目前情況而看世界各地一些科研院所、高校等單位開始建立自己的材料數(shù)據(jù)庫包括力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫、金屬 彈性性能數(shù)據(jù)中心、材料腐蝕數(shù)據(jù)庫、材料摩擦及磨損數(shù)據(jù)庫、高溫材料數(shù)據(jù)庫，HT-DB 收集各種金屬、非金屬、復(fù)合材料的力學(xué)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)等。

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材料數(shù)據(jù)庫的建立，有利于減少材料的重復(fù)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，對(duì)縮短新材料的研發(fā)周期，節(jié)約新材料的研發(fā)成本具有非常積極的作用。

（2）材料的設(shè)計(jì)與模擬是材料數(shù)據(jù)庫的重要來源之一

就目前的發(fā)展來看，這些國(guó)內(nèi)外的數(shù)據(jù)庫多數(shù)展現(xiàn)出功能單一，數(shù)據(jù)量較少，覆蓋面較窄，且共享性差等一些特點(diǎn)。

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傳統(tǒng)的材料數(shù)據(jù)庫主要來源于實(shí)驗(yàn)合成的數(shù)據(jù)，隨著理論方法的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，從而使得理論計(jì)算預(yù)測(cè)材料成為可能。

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云計(jì)算集中各種閑置的計(jì)算資源，打破了傳統(tǒng)的地域格局（以虛擬運(yùn)營(yíng)形態(tài)），提出了對(duì)云服務(wù)使用者、運(yùn)營(yíng)者、行業(yè)監(jiān)管和國(guó)家政策法規(guī)等新的挑戰(zhàn)?；诙喑叨雀咄坑?jì)算（云計(jì)算）引入，將可以大大的增加理論預(yù)測(cè)材料數(shù)據(jù)，這無疑會(huì)豐富數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容。

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另一方面，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展將使材料數(shù)據(jù)共享功能大大提高。因此如何建立與云計(jì) 算有效的相互關(guān)聯(lián)的材料數(shù)據(jù)庫是個(gè)亟待解決的重要問題。由于計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫是綜合物理，化學(xué)及生物的交叉學(xué)科的數(shù)據(jù)庫，為提高材料高級(jí)科學(xué)發(fā)現(xiàn)、縮短材料開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化周期方面發(fā)揮著重要的作用。

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11.?常用材料數(shù)據(jù)庫有哪些？

（1）材料基因工程數(shù)據(jù)庫

材料基因組計(jì)劃，是2011 年6 月24 日美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動(dòng)一項(xiàng)價(jià)值超過5億美元的“先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系”（Advanced Manufacturing Partnership）計(jì)劃。

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該計(jì)劃呼吁美國(guó)政府、高校及企業(yè)之間應(yīng)加強(qiáng)合作，以強(qiáng)化美國(guó)制造業(yè)領(lǐng)先地位，而“材料基因組計(jì)劃”（Materials Genome Initiative）作為“先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系”計(jì)劃中的重要組成部分，投資將超過1 億美元。“材料基因組計(jì)劃”是美國(guó)經(jīng)過信息技術(shù)革命后，充分認(rèn)識(shí)到材料革新對(duì)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要作用，以及在復(fù)興制造業(yè)的戰(zhàn)略背景下提出來的。數(shù)據(jù)共享與計(jì)算工具開發(fā)對(duì)“材料基因組計(jì)劃”的成功至關(guān)重要。

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先進(jìn)功能材料復(fù)雜的物理與化學(xué)特性可以因不同的應(yīng)用需要而相應(yīng)調(diào)整，并可以在合成、生產(chǎn)和使用過程中改變。對(duì)這些特性的跟蹤是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)，“材料基因組計(jì)劃”的努力還包括將術(shù)語、數(shù)據(jù)歸檔格式和指南報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)化，并建立了一個(gè)大型的材料數(shù)據(jù)庫（https：//materialsproject.org/）。

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目前該數(shù)據(jù)庫已經(jīng)初具規(guī)模，它已經(jīng)包含了6 萬多種化合物，4 萬多種能帶結(jié)構(gòu)信息，以及1萬多種鋰電材料的基本特性，并且各種新的材料數(shù)據(jù)在不斷的增加和完善。目前材料基因工程數(shù)據(jù)庫極大的方便了材料研究人員與企業(yè)設(shè)計(jì)者的溝通與合作，提高了新材料研發(fā)的效率，并能夠有效的降低新材料的研發(fā) 成本。

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（2）其它的常用材料數(shù)據(jù)庫

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A. 無機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫

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無機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（The Inorganic Crystal Structure Database， 簡(jiǎn)稱ICSD）。由德的FIZ（Fachinformationszentrum Karlsruhe）和The Gmelin Institute （Frankfurt） 聯(lián)合編輯。

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無機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫收集并提供到目前為止所有試驗(yàn)測(cè)定的、除了金屬和合金以外、不含C–H 鍵的無機(jī)物晶體結(jié)構(gòu)的信息，包括化學(xué)名和化學(xué)式、礦物名和相名稱、晶胞參數(shù)、空間群、原子坐標(biāo)、3D晶體結(jié)構(gòu)圖、熱參數(shù)、 位置占位度、理論粉晶衍射圖、R 因子及有關(guān)文獻(xiàn)等各種信息。

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該數(shù)據(jù)庫從1913年開始出版，至今已包含近10萬條化合物目錄。每年更新兩次，每次更新會(huì)增加2000種新化合物，所有的數(shù)據(jù)都是由專家記錄并且經(jīng)過幾次的修正，是國(guó)際最權(quán)威的無機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。

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B.?宇航結(jié)構(gòu)金屬數(shù)據(jù)庫

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宇航結(jié)構(gòu)金屬數(shù)據(jù)庫（Aerospace Structural Metals Database，ASMD）是宇航結(jié)構(gòu)金屬手冊(cè)（Aerospace Structural Metals Handbook，ASMH）的網(wǎng)絡(luò)版。

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宇航結(jié)構(gòu)金屬手冊(cè)是一部6卷的關(guān)于合金的手冊(cè)，這些合金被用于汽車、建筑材料、學(xué)術(shù)和航空領(lǐng)域。其主要數(shù)據(jù)由美國(guó)空軍材料部（位于懷特- 帕特森空軍基地，俄亥俄州代頓市）與美國(guó)普渡大學(xué)合作設(shè)計(jì)和開發(fā)。

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普渡大學(xué)（Purdue University）的一個(gè)部門叫做情報(bào)與數(shù)值數(shù)據(jù)分析和綜合中心（the Center for Information and Numerical Data Analysis and Synthesis，CINDAS）。它由美國(guó)國(guó)防部提供經(jīng)費(fèi)資助，專門從事材料性能和處理領(lǐng)域的復(fù)雜的和系統(tǒng)的研究項(xiàng)目長(zhǎng)達(dá)45年，承擔(dān)著材料基本特性的情報(bào)處理中心的作用。

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宇航結(jié)構(gòu)金屬手冊(cè)共出了四十多版，現(xiàn)已停止紙本和光盤的出版。宇航結(jié)構(gòu)金屬手冊(cè)網(wǎng)絡(luò)版（ASMD）不僅繼續(xù)更新數(shù)據(jù)，而且提供便于瀏覽、檢索的用戶界面。宇航結(jié)構(gòu)金屬數(shù)據(jù)庫包含了超過220 種合金，如：不銹鋼、鎳合金、鎂合金、鈦合金、鈮合金、鉬合金、鈷合金、鈹合金、鉭合金、鎢合金，內(nèi)容極其廣泛，總計(jì)超過8 萬條數(shù)據(jù)曲線。

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宇航結(jié)構(gòu)金屬手冊(cè)網(wǎng)絡(luò)版收錄的合金材料數(shù)據(jù)有多個(gè)來源，其中包括美國(guó)空軍材料部和美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）。新增加的合金數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過專業(yè)人員的嚴(yán)格篩選后，不斷被添加到數(shù)據(jù)庫中。

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（3）結(jié)構(gòu)合金手冊(cè)

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結(jié)構(gòu)合金手冊(cè)（Structural Alloys Handbook，SAH）手冊(cè)最初用于協(xié)助設(shè)計(jì)者選擇金屬和合金，是 一個(gè)包含實(shí)證過的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和金屬性能信息的數(shù)據(jù)庫。結(jié)構(gòu)合金手冊(cè)包括了用于建筑、重型設(shè)備、機(jī)械 工具、汽車和一般制造業(yè)中常用的重要金屬和合金，有鑄鐵、煅鋼、鍛制不銹鋼、鑄鋼、鍛造鋁和鑄銅、 黃銅、青銅、鋁、鎂、鈦等多種不同金屬材料。結(jié)構(gòu)合金手冊(cè)提供這些金屬材料和合金材料的典型的、 詳細(xì)的描述數(shù)據(jù)。

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D.?工程材料數(shù)據(jù)庫

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工程材料數(shù)據(jù)庫是針對(duì)機(jī)械行業(yè)專業(yè)人士查詢材料數(shù)據(jù)信息而開發(fā)的大型材料數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫軟件為用戶提供常用材料標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、型材數(shù)據(jù)信息、國(guó)內(nèi)外常用材料牌號(hào)對(duì)照等幾部分?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)容。

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常用材料標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包括九大類約1200余種常用材料的化學(xué)成分、化學(xué)性能、物理性能、力學(xué)性能、工藝性能、材料用途等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可供機(jī)械行業(yè)專業(yè)人士方便查詢；型材包括型鋼、鋼板及鋼帶、鋼絲、 鋼絲繩、鋼管、有色棒材及線材、有色帶材及箔材、板材、有色管材等9 大類型材的尺寸規(guī)格、工藝性能、腐蝕性能、力學(xué)性能、允許偏差等數(shù)據(jù)；國(guó)內(nèi)外常用材料牌號(hào)對(duì)照則主要包括鋼材（500 余種鋼材）及有色金屬材料的中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、前蘇聯(lián)、日本、法國(guó)、英國(guó)、臺(tái)灣等地區(qū)的材料牌號(hào)及之間的對(duì)照關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)同一種材料在多個(gè)國(guó)家之間的正查、反查功能，該部分內(nèi)容能夠充分滿足從事加工生產(chǎn)及材料貿(mào)易的用戶對(duì)材料牌號(hào)對(duì)照關(guān)系的要求。

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工程材料數(shù)據(jù)庫為用戶提供了豐富的數(shù)據(jù)資源和便捷的查詢方式，設(shè)計(jì)人員可以快速查詢需要的材料特性及相關(guān)信息，從而節(jié)省大量翻閱手冊(cè)的時(shí)間，工程材料數(shù)據(jù)庫中一些由科研人員提供的材料數(shù)據(jù)信息，這不僅僅是節(jié)省設(shè)計(jì)人員查詢時(shí)間的問題，這些數(shù)據(jù)對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)企業(yè)，具有極大的價(jià)值。

12.?材料數(shù)據(jù)庫的發(fā)展方向？

（1）利用高通量多尺度的材料理論計(jì)算豐富數(shù)據(jù)內(nèi)容

目前計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫種類數(shù)量較少，數(shù)據(jù)內(nèi)容非常不全面，以前的材料數(shù)據(jù)主要集中在分子、晶體等層面。將來可以通過開發(fā)各種材料數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)搜索及利用云計(jì)算資源，極大的豐富數(shù)據(jù)內(nèi)容。

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首先， 從材料結(jié)構(gòu)的維度上能有大量的補(bǔ)充，從零維的各種團(tuán)簇結(jié)構(gòu)（現(xiàn)有的金，銅團(tuán)簇?cái)U(kuò)展到元素周期表中其他各種元素的團(tuán)簇），一維的各種納米管結(jié)構(gòu)（現(xiàn)有的石墨烯，氮化硼等其他各種不同組分的納米管）、 二維層狀結(jié)構(gòu)（石墨烯，硅烯，氮化硼等到其他各種組分的平面結(jié)構(gòu)）到三維的晶體結(jié)構(gòu)。

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其次，除了 各種完美的結(jié)構(gòu)，通過云計(jì)算進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)，各種不同比例的摻雜體系將在計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫里面大大的補(bǔ)全。

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再次，基于目前材料數(shù)據(jù)庫里面的數(shù)據(jù)都是一些靜態(tài)數(shù)據(jù)，然而對(duì)于一些動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)卻知之甚少， 如相變過程、過渡態(tài)搜索及化學(xué)反應(yīng)過程等數(shù)據(jù)將會(huì)有大大補(bǔ)充。

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最后，計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容將會(huì)涵蓋不同領(lǐng)域材料，從化學(xué)領(lǐng)域，物理領(lǐng)域，生物領(lǐng)域直至整個(gè)材料領(lǐng)域。

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（2）利用先進(jìn)的信息技術(shù)完善材料數(shù)據(jù)庫的功能

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基于目前計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫功能較單一，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，材料數(shù)據(jù)庫技術(shù)的功能性也將日臻完善。

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功能由單一走向多元化。這主要體現(xiàn)在搜索結(jié)果，輸出結(jié)果和功能性等方面。在搜索結(jié)果方面，不僅可以做到根據(jù)材料組分進(jìn)行搜索，也可以根據(jù)材料的特性進(jìn)行專業(yè)性的搜索。在輸出結(jié)果上，不但能像普通數(shù)據(jù)庫那樣對(duì)定量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并輸出，而且還能根據(jù)用戶需求以圖、表、數(shù)字、曲線等多種方式輸出。

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在功能性方面，更加多樣化。材料數(shù)據(jù)庫不再僅僅是作為一本電子材料手 冊(cè)來使用，而且還要為實(shí)際應(yīng)用如工程設(shè)計(jì)、選材、材料分析等提供服務(wù)。

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（3）材料數(shù)據(jù)庫的智能化

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在系統(tǒng)性方面，計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫的建立將更加系統(tǒng)化。材料總是作為一個(gè)系統(tǒng)而存在的，在使用材料的過程中，環(huán)境不同，材料所表現(xiàn)的性能也會(huì)發(fā)生變化（比如不同壓強(qiáng)，不同濕度，不同溫度下材料的性質(zhì)將發(fā)生變化），從而使得材料數(shù)據(jù)庫的建立也必須進(jìn)行系統(tǒng)化的綜合考慮。材料數(shù)據(jù)庫將會(huì)向更加系統(tǒng)性、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、現(xiàn)代化、商業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。

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（4）利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完善材料數(shù)據(jù)庫的共享

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基于目前計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫地域性較強(qiáng)，隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫將朝著資源共享的方向發(fā)展。將做到隨時(shí)隨地都能夠有效的進(jìn)行數(shù)據(jù)搜索。

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同時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步完善及材料數(shù)據(jù)庫的進(jìn)一步完善，計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫的管理方式也提出了新的要求，數(shù)據(jù)庫的管理將朝著系統(tǒng)性，智能型等方向發(fā)展才能有效的將各自分散的數(shù)據(jù)庫整合及統(tǒng)一管理。從而減少各個(gè)數(shù)據(jù)庫之間的重復(fù)及對(duì)資源的浪費(fèi)。同時(shí)，材料數(shù)據(jù)庫管理也需要有自我檢測(cè)及修復(fù)的功能。改進(jìn)的數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)和綜合管理團(tuán)隊(duì)使設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工程和制造業(yè)相互交叉，互相影響，縮短從新材料的發(fā)現(xiàn)到投入市場(chǎng)的周期將是增強(qiáng)國(guó)內(nèi)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力、保持經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)的一個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。更多的將計(jì)算和信息技術(shù)與表征和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合——用數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)模擬代替耗時(shí)且昂貴的實(shí)證研究，大幅度加快材料部署的時(shí)間、增加材料部署的數(shù)量。

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公共材料數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢(shì)將讓人難以拒絕。可以試想一下它能夠帶來的好處：有彈性延展性，能常規(guī)網(wǎng)絡(luò)訪問，可結(jié)合移動(dòng)平臺(tái)，按照使用次數(shù)計(jì)費(fèi)，提高效率，降低資本成本，以及獲得分布廣泛的結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

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縱觀當(dāng)代新興科學(xué)技術(shù)的發(fā)展歷史，人類在征服自然界和宇宙空間以及微觀世界的過程中，歷經(jīng)了崎嶇不平的道路?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步，開拓了新材料的研究范圍，推動(dòng)了新材料學(xué)科向更高、更新、更智能的方向發(fā)展。同樣，新材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了化學(xué)和化工產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化。先進(jìn)功能材料、納米材料、智能材料等新材料的廣泛應(yīng)用，極大的改善了人類生產(chǎn)方式和生活水平。我們也會(huì)看到，探索新材料的過程中，新型的材料模擬和材料計(jì)算方法在縮短新材料研發(fā)周期和降低新材料研發(fā)成本上起了至關(guān)重要的作用。

（來源丨新型工業(yè)化，作者丨劉利民，《材料基因工程:材料設(shè)計(jì)與模擬》）