國(guó)外材料計(jì)算研究進(jìn)展

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1、摘自：先進(jìn)制造與新材料科學(xué)研究動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)快報(bào)2012年第18期國(guó)外材料計(jì)算研究進(jìn)展編者按：材料計(jì)算學(xué)是一門前沿交叉學(xué)科，在提高材料高級(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。美國(guó)、歐盟、H本、新加坡等世界要國(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-系列相關(guān)的研究計(jì)劃和項(xiàng)冃。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。本期專題主要從國(guó)家和主要研究

2、機(jī)構(gòu)的角度對(duì)最新的材料計(jì)算與模擬研究進(jìn)展進(jìn)行分析，以期對(duì)我國(guó)的研究提供有益的參考和建議。1前言隨著計(jì)算科學(xué)與技術(shù)的0速發(fā)展，材料科學(xué)與數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、匸程力學(xué)諸多學(xué)科相互交叉與滲透，產(chǎn)生了一門新興學(xué)科一材料學(xué)。計(jì)算材料學(xué)的內(nèi)涵可以概括為：根據(jù)材料科學(xué)和相關(guān)科學(xué)基木原理，通過模型化與計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)材料制備、加工、結(jié)構(gòu)、性能和使役行為等參量或過程的定量描述，理解材料結(jié)構(gòu)與性能、功能之間的關(guān)系，引導(dǎo)材料發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，縮短材料研制周期，降低材料過程成本。計(jì)算材料學(xué)主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一方而是計(jì)算模擬，即從實(shí)驗(yàn)

3、數(shù)據(jù)出發(fā)，通過建立數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計(jì)算，模擬實(shí)際過程；另一方面是材料的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，即直接通過理論模型和計(jì)算，預(yù)測(cè)或設(shè)計(jì)材料結(jié)構(gòu)與性能。材料計(jì)算為模擬在材料性能設(shè)計(jì)、肖約材料少肖能、加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中發(fā)揮著重耍的作用。材料計(jì)算與模擬一直以來受到各國(guó)的重視，特別是2011年6月，美國(guó)“材料基因組計(jì)劃”的發(fā)布乂引發(fā)了新一輪的研究熱潮，引起了眾多國(guó)家和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。2美國(guó)美國(guó)在材料計(jì)算打模擬領(lǐng)域部署了多個(gè)大型項(xiàng)冃。美國(guó)能源部、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院、國(guó)防部等多個(gè)政府機(jī)構(gòu)都部署了相關(guān)的研究計(jì)劃和項(xiàng)口

4、，并有高級(jí)計(jì)算科學(xué)研究屮心、能源前沿研究中心等多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施。2011年6M240,美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布了一項(xiàng)超過5億美元的“推進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系”計(jì)劃，通過政府、高校及企業(yè)的合作來強(qiáng)化美國(guó)制造業(yè)，“材料基因組計(jì)劃”（“材料基因組”是一種新提法，具本質(zhì)與材料計(jì)算學(xué)類似）是上述計(jì)劃的重要紐成部分，投資超過1億美元?！安牧匣蚪M計(jì)劃”意欲推動(dòng)材料科學(xué)家重視制造環(huán)節(jié)，并通過搜集眾多實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)以及企業(yè)有關(guān)新材料的數(shù)據(jù)、代碼、計(jì)算工具等，構(gòu)建專門的數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)共享，致力于攻克新材料從實(shí)驗(yàn)室到工廠這個(gè)放人過程屮的

5、問題。“材料基因組計(jì)劃”已經(jīng)開始實(shí)施，旨在通過高級(jí)科學(xué)計(jì)算和創(chuàng)新設(shè)計(jì)工具促進(jìn)材料開發(fā)，建立了MaterialsExplorer、PhaseDiagramApp>LithiumBatteryExplorersFteactionCalculator、CrystalToolkitsStructurePredictor等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù),并不斷地進(jìn)行軟件升級(jí)和數(shù)據(jù)更新。在該計(jì)劃卜，麻省理匚學(xué)院G.Ceder領(lǐng)導(dǎo)的研究組開展了高通量計(jì)算材料設(shè)計(jì)等研究。美國(guó)能源部主導(dǎo)的“材料和化學(xué)計(jì)算創(chuàng)新項(xiàng)目”重點(diǎn)關(guān)注以下7個(gè)研究方向

6、：①極端條件材料；②化V反應(yīng)；③薄膜、表面和界面；④自組裝與軟物質(zhì)；⑤強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)和復(fù)雜材料、超導(dǎo)、鐵電、磁材料;⑥電了動(dòng)力學(xué)、激發(fā)態(tài)、光捕獲材料和工藝;⑦分離和流體工藝等。始于2001年的芙國(guó)能源部“高級(jí)計(jì)算科學(xué)發(fā)現(xiàn)項(xiàng)日”，是開發(fā)新一代科學(xué)模擬計(jì)算機(jī)的綜合計(jì)劃。在新材料設(shè)計(jì)、未來能源資源開發(fā)、全球環(huán)境變化研究、改進(jìn)環(huán)境凈化方法以及微觀物理和宏觀物理方而的研究方而發(fā)揮了幣:耍作用。2009年8刀，美國(guó)能源部提供3.77億美元在全國(guó)各人學(xué)、國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、非盈利纟R織、私營(yíng)企業(yè)建立46個(gè)能源前沿研究屮心。

7、旨在利用納米技術(shù)、高強(qiáng)度光源、'I'/散射源、超級(jí)計(jì)算機(jī)及其他先進(jìn)儀器方而的最新發(fā)展,解決太陽(yáng)能、生物燃料、交通運(yùn)輸、能源效率、電力存儲(chǔ)和傳輸、潔凈煤和碳捕獲少封存，以及核能源方面的關(guān)鍵問題。材料計(jì)算模擬在該項(xiàng)目中發(fā)揮了重要作用。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)“21批紀(jì)科學(xué)與I〔程網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施框架”旨在開發(fā)和部署綜介的、集成的、可持續(xù)的、安全的網(wǎng)絡(luò)棊礎(chǔ)設(shè)施，加快計(jì)算和數(shù)據(jù)密集型科學(xué)打工程的研究和教育，解決復(fù)雜科學(xué)和社會(huì)問題。主耍的研究方向包括數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的科學(xué)、研究網(wǎng)絡(luò)社區(qū)、新的計(jì)算菇礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)丿施訪問和鏈接

8、；還包括2個(gè)優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域，納米技術(shù)、納米制造、材料科學(xué)、數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)科學(xué)、化學(xué)、工程、軟件應(yīng)用等領(lǐng)域的材料(物質(zhì))設(shè)計(jì);能源、環(huán)境、社會(huì)等領(lǐng)域的研究活動(dòng)。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)主導(dǎo)的“計(jì)算納米技術(shù)網(wǎng)絡(luò)”重點(diǎn)的研究方向包括納米生物技術(shù)與器件的計(jì)算和模擬工具、納米制造計(jì)算和模擬軟件、納米工程電了器件模擬等。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院是美國(guó)從事測(cè)量科洋和標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域研究的最大機(jī)構(gòu),使美國(guó)具備了領(lǐng)先的測(cè)量水準(zhǔn)以及測(cè)雖匚具和設(shè)施。該研究院的材料計(jì)錄實(shí)驗(yàn)室、納米科技屮心