计算材料学研究.pdfVIP

计算材料学研究

——探索材料之本质与未来

材料科学是现代科学技术中的重要分支之一，它在促进各个领

域的发展中作出了不可或缺的贡献。其中，计算材料学作为新兴

的重要研究方向，为材料科学的发展提供了一种全新的思路和方

法，被广泛应用于化学、物理、机械、电子等领域中。

一、计算材料学的基本概念

计算材料学是指通过计算机模拟、数学分析和大数据挖掘等手

段，从微观角度对材料进行全面深入的研究、分析和设计。它以

材料的基础理论及物理、化学、电学等方面的知识为基础，运用

材料计算软件及高性能计算技术进行计算与分析，从而探究材料

组成和结构、材料性质及其演化机制等信息，以便优化设计和制

造出更高性能的新型材料。

目前，计算材料学的研究方向各异，包括材料模拟与计算、材

料物理性质计算、表面物理与化学、材料先进加工技术等方面，

使得材料的研究方法得到了创新和升级。

二、计算材料学的应用

计算材料学的应用范围非常广泛，涉及国防、经济、生命、环

境、汽车、航空航天、信息通讯等多个领域。

例如，在材料设计方面，传统方式通常是从实验室一步步试验

和推进，然而这种方法需要大量时间和资金支持，并且很难设计

和制造出跨越新世界的材料。相较之下，计算材料学通过建立适

当的数学物理模型及计算方法，能够快速、准确地进行材料的设

计和预测。这种新型的研究方式，缩短了材料开发周期，同时为

材料创新及材料应用提供了新的机遇。

三、计算材料学发展现状

从理论基础的角度，计算材料学的发展在于提高材料基础知识

的密集度和精度，同时发展新型的计算方法和技术。无论是从材

料对称性求解方面，还是从电子结构理论预测材料性质来看，都

需要成倍地提高计算速度和精度，这涉及到数值算法和信息科学

和技术的发展。因此，从基础理论出发，计算材料学需要逐渐发

展出更加精准、可靠和高效的计算方法，不断完善材料模型及应

用对象，从而为新材料的设计开发提供更强的支撑。

当前，国内外许多高端、先进的实验设备和计算资源得到了巨

大发展，这使得计算材料学的研究范围得以不断拓宽，目前计算

材料学结合大数据和人工智能技术正在不断深入版图。

四、计算材料学的发展趋势

众所周知，特别是当前世界各国都进入了大数据、云计算、物

联网等新时代，这提供了前所未有的信息和计算平台。计算材料

学和新兴技术的融合发展，是未来材料发展的一个非常重要的方

向。要紧密结合材料自律发展，以材料自身属性为起点，建立计

算材料学大数据平台，收集、筛选、分析、整理并应用已有的计

算材料学数据，从而推动信息与材料之间的有效整合，进一步优

化、预测并创新出材料的性能和应用价值。

通过计算模拟，可以不断深入探索基础材料的物理化学特性和

动力学行为，建立材料设计的新视角。借助深度学习、计算智能

等人工智能技术，可以从更广潜在的信息和材料数据库中汲取前

人的知识，结合机器推算和预测未来材料的未来方向，不断拓宽

未来材料的研究领域。

当前技术水平下，在材料关键技术分享、虚拟化仿真、能源储

存等方面正在更加成熟，预计在已被重视的电子信息、能源、医

药等领域发展较快，我国计算材料学在这个领域的实际应用程度

明显提高，正在向质量和量的多重突破发展。

五、结语

计算材料学作为一项新兴的研究领域，在材料科学领域中有着

广泛的应用和推广前景。它以计算机和数学为主要工具，深度挖

掘和拓展材料科学知识体系，加快新型材料的研发和应用。随着

科技越来越发达，许多实验技术和计算方法逐渐被理论结果所代

替，计算材料学必将成为未来材料研究的重要支撑方向。