材料工作室软件在《计算材料学基础》本科教学中的应用初探

侯秀丽

摘 要： 随着计算水平的迅猛发展，计算机模拟研究已经与实验研究和理论研究并列，成为一种基本的材料科学研究手段。材料工作室软件由于具有良好的可视界面得到众多材料科学工作者的青睐。本文对材料工作室软件在《计算材料学基础》本科教学中做探讨，重点在第一性原理计算和分子动力学两个方面。为材料工作室软件在《计算材料学基础》本科教学中的应用提供参考。

关键词： 计算材料学 材料工作室软件 本科教学 第一性原理 分子动力学

计算材料学是一门正在快速发展的新型学科，属于材料科学与计算机科学的交叉学科，是利用计算模拟手段对材料的组成、结构、性质及服役性能之间关系进行研究的学科。材料的成分、结构与性质之间的关系是材料学专业永恒的主题。传统材料研究以实验室观察为主，是一门实验科学。随着材料学研究对象的空间尺度不断变小，研究对象越来越精细，原子已成为材料研究的内容，对功能材料甚至需要研究到电子结构的层次，传统的研究方法已经不能揭示材料性能的本质。随着科技的发展，现在已经能够从量子力学基本原理出发计算材料体系的各种性质，包括原子结构、电子结构、热动力学特性，甚至超高温、超高压等极端环境下的材料服役性能，从而实现材料性能的改善和新材料的设计。随着计算水平的迅猛发展，计算机模拟研究已经与实验研究、理论研究并列，成为三种基本的材料科学研究手段之一。

计算材料科学主要包括两方面内容：一方面是验证实验与解释实验，即从实验数据出发，建立模型，模拟实验过程，从原子和电子角度揭示内在机理，加深对材料本质的认识。另一方面是预测新材料的新性能，即直接通过理论模型的计算，预测新材料的结构与性能，使材料研究更具有方向性和前瞻性，有助于原始创新，可以大大提高研究效率。

材料工作室软件，即Materials Studio软件，是美国Accelrys公司出品的多尺度计算机模拟平台，可实现从量子、分子、纳米到介关的多尺度计算机模拟，可从空间角度和时间角度对材料性质进行研究。它拥有众多模块，可根据具体需求选择。目前材料工作室软件已成功应用于制药、化工、能源、电子、新材料等领域。材料工作室软件具有良好的、可视的工作界面，这是它的一大特色。

计算材料学的基础理论晦涩难懂，没有量子力学基础的学生很难理解。学生往往听得昏昏欲睡，课堂上死气沉沉。《计算材料学基础》教学集中在物理概念上，不用过分关注细节。材料工作室软件具有良好的可视界面，可以给学生直观的认识，从而激发他们学习的热情，从教师的角度讲有利于教学。第一性原理和分子动力学是计算材料学中非常重要的两个方面，下面对这两个方面进行具体描述。

一、第一性原理

第一性原理的基本思想是将多原子构成的体系理解为由电子和原子核组成的多粒子体系，并根据量子力学的基本原理最大限度地对问题进行“非经验性”处理。材料工作室软件拥有CASTEP和DMol3两个非常重要的第一性原理模块。CASTEP模块是由剑桥大学凝聚态理论研究组开发的一款基于密度泛函理论的先进量子力学程序，它采用平面波函数描述价电子，利用赝势替代芯电子。DMol3是由Bernard Delley教授开发的，它采用原子轨道线性组合的方法描述体系的电子状态，也被称为原子轨道线性组合方法。DMol3有别于其他方法的最重要特点是采用数值函数描述原子轨道，这样可以兼顾计算精度和效率。这两个模块均可用于金属材料、无机非金属材料和高分子材料的计算。既可以用于研究体相材料，如材料的晶体结构、弹性模量、电子结构，等等，又可以用于研究材料的表界面性质，如材料表面的分子吸附、化学反应，等等。

由于材料工作室软件优良的可视界面，因此可以在窗口清晰地展示材料的晶体结构。材料工作室软件可以在工作窗口对材料的原子构型进行各种操作，包括旋转、平移等，能够让学生清楚直观地认识，带领学生认识材料学的奥妙，激发学生学习兴趣。在材料电子结构方面，相较于其他计算材料软件，材料工作室软件可以直观显示出布里渊区路径，从而解决学生对这个困难知识点的认识，有利于教学。在多相催化反应方面，材料工作室软件能够清楚地计算出从反应物分子到产物分子的反应过程，同时给出反应能和反应能垒，从而给出催化剂催化活性的定量判据。

二、分子动力学

分子动力学模拟方法是按照体系内部的内禀动力学规律确定位形的转变，跟踪系统中每个粒子的个体运动，然后根据统计物理规律，给出微观量与宏观可观测量的关系。分子动力学是将电子的运动与原子核的运动分开处理，电子的运动用量子力学的方法处理，而原子核的运动用经典动力学方法处理。材料工作室软件包含Discover、Forcite、GULP等多个分子动力学模块，可用于研究材料的融化、凝固、分子吸附等。能够从原子角度直接显示材料融化、凝固及分子吸附的过程，给学生直观认识。其中，Discover以多个经过仔细推导和验证的力场为基础，可以准确计算出最低能量构象，并可给出不同系统下体系结构的动力学轨迹，周期性边界条件的引入使得它可以对固体体系进行研究，如晶体、非晶和溶剂化体系。Forcite是先进的经典分子力学工具，可以对分子或周期性体系进行快速的能量计算及可靠的几何优化及动力学模拟，可以实现模拟淬火、退火等功能。

三、结语

通过将材料工作室软件引入《计算材料学基础》课程教学，可以将知识点形象化、可视化，能够激发学生学习兴趣，点燃学生进行材料科学研究的激情。不仅适合于材料专业的学生，而且适用于物理和化学专业学生。

参考文献：

[1]张跃，谷景华，尚家香，马岳.计算材料科学基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2]徐慧，等.凝聚态物理专题[M].长沙：中南大学出版社，2009.

基金项目：江苏大学高级人才启动基金（项目号：12JDG094）；江苏省自然科学基金青年基金（项目号：BK20130519）。