材料科学引入计算模拟教学的研究

20世纪80年代以来，计算机已经成为各个材料领域研究专家的必备工具，并且随着计算机技术和算法的发展，计算模拟方法也已经成为材料研究新的重要手段．计算模拟技术以物理学、化学等相关的基本理论为基础，在计算机模拟环境下对宏观、介观以及微观的不同尺度的材料进行多层次的模拟研究，计算材料的力学、热学、光学、电学和磁学等多方面的物理性质，并进一步探求这些材料的组分、结构和功能之间的本质规律和内在联系，为实验制备新材料提供理论支持，变盲目的材料合成为针对材料性能的某类特定需求来主动地、有意识地设计材料的结构．计算模拟在材料科学中的作用已经不仅仅停留在计算机辅助和数据处理上，人们已经认识到计算模拟已经与实验、理论研究一样能够发现新的科学现象、新的科学概念，从而计算模拟已经成为第三条科学发现的途径．因此，现代材料科学已经不再是单纯的实验科学，计算模拟方法已成为与理论研究和实验方法同样重要的研究手段，实验、理论和计算成为材料研究的3大支柱[4]．而且随着计算材料科学的进一步发展，计算模拟方法在未来的材料研究中将显示出越来越大的应用潜力．因此，了解和掌握材料计算和模拟的基本知识已成为现代材料研究工作者必备的技能之一．

材料的计算模拟方法介绍

材料的计算模拟研究是近年来飞速发展的一门新兴学科和交叉学科．它综合凝聚态物理学、理论化学、材料物理学和计算机算法等多个相关学科．它的目的是利用现代高速计算机，模拟材料的各种物理化学性质，深入理解材料从微观到宏观多个尺度的各类现象与性能，并对材料的结构和物性进行理论预言，从而达到设计和开发新材料的目的．材料的多尺度计算模拟方法主要有以下几种:

(1)第一性原理计算方法(First－principlesMethods)基于密度泛函理论的第一性原理计算方法是目前研究微观电子结构最主要的理论方法．第一性原理计算方法只用到普朗克常数(h)，玻尔兹曼常数(kB)，光速(c)，电子静态质量(m0)和电子电荷电量(e)这5个基本物理变量和研究体系的基本结构．从量子力学出发，通过数值求解薛定谔方程，计算材料的物理性质．在密度泛函理论，局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)框架下的计算已广泛应用于第一性原理的电子结构研究中，并已经取得很大的成功．结合一些能带结构计算的方法，对于半导体和一些金属基态性质，如晶格常数，晶体结合能，晶体力学性质都能够给出与实验符合得很好的结果，同时能够比较精确地描述很多体系的电子结构(如能带结构、电子态密度、电荷密度、差分电荷密度和键布局等)、光学性质(介电函数、复折射率、光吸收系数、反射光谱及光电导等)和磁性质，从微观理论角度分析和揭示材料物理性质的起源，使实验者主动对材料进行结构和功能的控制，以便按照需求制备新材料．

(2)分子动力学方法(MolecularDynamicsMethods)分子动力学是一种确定性方法，是按照该体系内部的内禀动力学规律来确定位形的转变，跟踪系统中每个粒子的个体运动，然后根据统计物理规律，给出微观量(分子的坐标、速度)与宏观可观测量(压力、温度、比热容、弹性模量等)的关系来研究材料性能的一种方法[5]．分子动力学方法首先需要建立系统内一组分子的运动方程，通过求解所有分子的运动方程，来研究该体系与微观量相关的基本过程．对于这种多体问题的严格求解，需要建立并求解体系的薛定谔方程．根据波恩－奥本海默近似，将电子的运动与原子核的运动分开来处理，电子的运动利用量子力学的方法处理，而原子核的运动则使用经典动力学方法处理．此时原子核的运动满足经典力学规律，用牛顿定律来描述，这对于大多数材料来说是一个很好的近似．只有处理一些较轻的原子和分子的平动、转动或振动频率γ满足hγ＞kBT时，才需要考虑量子效应．

(3)蒙特卡洛方法(MonteCarloMethods)蒙特卡洛方法是在简单的理论准则基础上(如简单的物质与物质或者物质与环境相互作用)，采用反复随机抽样的手段，解决复杂系统的问题．该方法采用随机抽样的手法，可以模拟对象的概率与统计的问题．通过设计适当的概率模型，该方法还可以解决确定性问题，如定积分等．随着计算机的迅速发展，蒙特卡洛方法已在材料、固体物理、应用物理、化学等领域得到广泛的应用[6]．蒙特卡洛方法可以通过随机抽样的方法模拟材料构成基本粒子原子和分子的状态，省去量子力学和分子动力学的复杂计算，可以模拟很大的体系．结合统计物理的方法，蒙特卡洛方法能够建立基本粒子的状态与材料宏观性能的关系，是研究材料性能及其影响因素的本质的重要手段．

材料专业引入计算模拟教学的探索

材料计算的目的在于理解和发现新的材料性能及其物理本质．计算已经与实验和形式理论一样成为材料研究的3大支柱之一．为学生将来能够有更高的起点研究材料科学，适应新形势下材料研究方法，培养具有宽广材料科学基础，掌握材料现代研究手段的“宽口径、厚基础、强能力、高素质”的材料科学专业人才．我们在本科教学阶段就应该有计划的引入和加强计算模拟方法的教学．采用的教学形式可以结合实际情况，灵活的应用．近年来我们采取的教学方式主要有以下3种方式:(1)开设计算材料学类课程在2006年物理与电子信息学院材料物理与化学专业培养方案中已经确定《计算机在材料科学中的应用》和《计算物理》课程为专业选修课程，学时分别为36学时和54学时．《计算机在材料科学中的应用》课程偏重实践教学，通过上机操作学习计算软件的基本原理和使用方法．主要教学内容包括:材料学的发展现状及计算机在材料科学与工程中的应用;材料科学研究中的数学模型;材料科学研究中常用的数值分析方法;材料科学研究中主要物理场的数值模拟;材料科学与行为工艺的计算机模拟;材料数据库和新材料、新合金的设计;材料加工过程的计算机控制;计算机在材料检测中的应用;材料研究科学中的数据和图像处理;互联网在材料科学研究中的应用等9部分内容，基本涵盖当今计算机技术在材料科学研究中应用的各个方面．《计算物理》课程则以理论教学为主，偏重物理基本原理的介绍．主要教学内容包括:计算物理学发展的最新状况;蒙特卡洛方法及其若干应用;有限差分方法;分子动力学方法;密度泛函理论;计算机代数;高性能计算和并行算法等8部分内容．计算材料类课程的开设注重理论和实践并重的原则，在讲解基本原理的同时加强学生动手上机实践能力的培养，因此，经过课程的学习，学生已经初步具备利用计算机进行材料模拟的能力．部分选修计算材料类课程的同学在学习中对计算模拟产生了极大的兴趣，在大四时选择材料计算相关课题作为本科毕业论文选题．例如，08届学生的毕业论文《ZnS掺杂Cu光学性质的第一性原理研究》和《布朗运动的蒙特卡洛模拟》，09届学生的毕业论文《ZnO电子结构和光学性质的研究》，11届学生的毕业论文《晶格热容的理论计算》和《简立方晶体结构能量分布的理论模拟》等均为材料计算和模拟相关课题，并且有多人的毕业论文被评为优秀毕业论文．个别优秀的学生读研后继续从事材料的计算模拟相关研究．通过几年的教学实践，计算材料相关课程的开设对于扩大学生的知识面，提高学生的理论分析能力有极大地帮助．(2)在材料相关的理论课程中加入计算模拟方法介绍虽然已经在材料专业开设《计算机在材料科学中的应用》和《计算物理》等材料计算相关的课程，但这两门课均为专业选修课，只有选修相关课程的学生才能得到相应的计算模拟培训，受众面还比较窄．因此，为使更多的学生了解到材料模拟计算的相关理论和知识，在材料专业主干课的教学中也适时地加入相关的计算模拟方法的介绍，从而扩大计算模拟知识的普及面．例如，在《固体物理》课程中，当讲解到能带理论一章时，我们会在本章结束时，加入一次课，着重介绍基于第一性原理的平面波赝势计算方法计算材料的能带结构、电子态密度等以及第一性原理计算的常用软件(CASTEP、VASP等)．一方面，对学生学习的理论知识加以直观化和适度的扩展，另一方面也进一步普及第一性原理计算的相关知识．在《材料科学基础》教学中讲解到相平衡与相图一章时，我们会在本章内容结束后介绍相图计算近年来的发展现状，包括CALPHAD(CalculationofPhaseDiagram)计算方法、热力学与动力学的结合、第一性原理与相图计算方法的结合，并简要介绍今后相图计算可能的发展方向[7]．在晶体缺陷内容的教学中，穿插介绍利用分子动力学计算面心立方金属空位和间隙原子点缺陷的形成能的方法．通过在课程教学中穿插入计算模拟方法的介绍，一方面也加深了学生对所学内容的理解，另一方面开阔了学生的眼界．(3)举办计算模拟相关的学术讲座．自从2009年以来，物理与电子信息学院从事计算模拟研究的教师每学期都结合自身的科研情况举办面向全院学生的学术讲座．例如在2011至2012学年第二学期，我们举办两场学术讲座，分别是《氧化锌晶体及其掺杂的第一性原理研究》以及《可见光响应半导体光催化材料的结构和能带设计》，教师在讲座中介绍自己的科研情况，同时也使学生了解到如何把学到的计算模拟知识应用到科研实践中去，让学生体会到如何利用计算模拟预测材料的物理性质以及指导材料设计的研究方式，提高学生自觉学习计算模拟方法的积极性．

结束语

当今，随着计算机技术的高速发展，计算模拟方法在材料物理性质预测、材料设计、合成和评价诸多方面有许多突破性的进展，计算模拟已经和实验、理论成为材料研究的3大支柱，掌握计算模拟方法成为现代材料科学研究的必备手段之一，因此在材料科学相关专业中开展计算模拟方法的教学是十分迫切的．经过这几年对材料相关专业的教学实践发现，学生对计算模拟表现出极大的兴趣，教学上也取得相应的教学成果．总之，在材料科学专业教学中引入计算模拟方法的教学是可行的，也是十分必要的，它对于培养学生的思维和探索的能力具有重要的支持作用．

作者：刘建军尹新国张金锋路彦峰单位：淮北师范大学物理与电子信息学院