Materials Studio软件在材料物理教学与科研中的应用

杨华哲

(中国医科大学公共基础学院生物物理教研室，辽宁 沈阳 110122)



Materials Studio软件在材料物理教学与科研中的应用

杨华哲

(中国医科大学公共基础学院生物物理教研室，辽宁 沈阳 110122)

如何在以教学为主的工作部门开展学术研究是一个具有挑战性的课题。笔者结合在材料物理教学和科研中的实践，通过研究商用计算软件在材料物理教学与科研中的应用及优势，尝试促进教学-科研转化。通过将不同材料的晶体结构参数输入Materials Studio软件中相对应模块，构建晶体可视化模型， 用于显示材料的微观结构和研究其热力学稳定性。通过可视化界面操作，有利于学生直观了解材料晶体结构对其物理及化学性质的影响规律，提高学生兴趣；同时，通过该软件理论计算功能可以辅助相关科研实验，并为实验结果提供理论依据。将可视化操作的计算机模拟软件与材料物理教学和科研相结合，为以教学为主相关科室开展教学学术提供了参考。

材料物理；计算机模拟；教学学术

许多大学在对教师的考核中仍存在着重学术，轻教学的问题，尤其在教员职称评定中，论文的产出和科研项目的承担等学术成果才是最重要的权重，而教学业绩更多地被认为是无关轻重的“附属品”。这无疑会打击教师教学积极性，影响学校的教学质量。针对这些问题，美国教育家、卡内基教学促进基金会主席厄内斯特·博耶提出“教学学术”的概念，确立了在教学过程中所形成的知识的学术地位[1]。笔者在之前的论文中曾经提及我国医科院校的物理教师艰难的发展环境，并结合自身经验就如何促进物理课教学与科研结合提出了一些建议[2]。本文将具体结合笔者在物理教学和科研中的实例以说明目前相关同行协调教学和科研工作中遇到的一些问题以及笔者的探索和感悟。

目前，在我校，很多同事为提高物理课授课的教学质量，倾注了大量精力准备教学课件，比如通过自学“Materials Studio”“Mathematica”“Ansys”等软件建立可视化物理模型，将复杂的物理理论形象化，在教学中显著地提高了教学效果(简化部分繁琐的理论推导，缩短课堂的教学时间，提高了学生的兴趣)。但与此同时，大部分教师苦于没有足够时间与精力开展科研项目，而且学校的物理学相关科研平台尚不完善，影响了科研工作的开展。同时，学校的绩效及职称评定等考核基本都是基于论文与项目等量化指标，而一线教师在教学中的相关贡献无法量化体现，极大地影响了教师的工作热情。这种现象在医科院校的普通基础课教师中具有普遍性。因此，能否在教学中提炼科学问题并开展相关理论研究，以便在有限的时间及精力条件下既能保质保量完成教学工作，又能解决一些科研问题，满足学校的考核要求(论文、基金等)，对于基础课教师具有十分重要的意义。

本文通过笔者在教学和科研的实例，详细介绍了如何利用计算机模拟软件Materials Studio建立材料微观结构模型，帮助学生更快更好地理解复杂的物理知识，促进了课堂教学效果；在此基础上通过计算相关材料的热力学稳定性，为实验结果提供理论依据，发表了相关学术论文[3-5]，促进了教学成果向科研成果的转化。

1 利用Materials Studio软件建立模型

在医学物理课的授课过程中，很多章节会涉及到材料学的相关知识。由于其专业性较强，且理论比较抽象，医学生很难理解。尤其是材料的微观结构，成为很多医学生的“梦魇”。利用计算机模拟软件Materials Studio，可以在可视化的操作界面中建立相关材料的晶体模型，利于学生的理解。现介绍Materials Studio软件及笔者建模实例。

Materials Studio是美国Accelrys公司开发的一个采用服务器/客户机模式的材料模拟和建模软件。其操作界面如图1所示。Materials Studio是一个模块化的环境。每种模块提供了不同的结构确定、性质预测或模拟方法，便于用户选择符合要求的模块与Materials Visualizer组成一个无缝的环境。目前，Materials Studio已成为材料学、物理学与化学中模型建立和材料热力学稳定性分析的重要软件，在国内外兄弟院校中被广泛采用。现就笔者在医用镁合金材料方面的建模实例进行讲解。

图1 Materials Studio软件的操作界面

在材料物理的授课过程中，医用镁合金作为可降解生物材料具有十分重要的意义。在讲到镁合金降解性能及生物相容性相关内容时涉及到镁合金基体及第二相的相关性质。由于第二相含量少，难以分析其结构与性质，因此在教材甚至论文中难以找到相关的图片，增加了学生理解的难度。在教学过程中，笔者选择目前常见的Mg-Zn-Zr合金、Mg-Ca合金、Mg-Sr合金和Mg-Al-Zn合金作为对象，并根据参考文献中查询到的相关数据选择通过模型展示如下的第二相和基体相：MgZn2、Mg2Ca、Mg2Sr、Mg17Al12和 Mg基体。上述研究对象的晶体结构参数如表1所示。根据上述数据，首先对于单独的第二相和Mg基体进行建模。在建模过程中由Materials Studio软件输入第二相及基体相的晶体结构参数并对晶胞数量进行设定。此外，考虑到镁合金作为医用材料所处的环境，建立了水分子模型。为了在教学中展示直观简单的模型，同时为后续的科研简化计算过程，选择一个单胞作为研究对象，所获得的图形如图2所示。

表1 第二相和镁晶体的晶体结构数据[3]

图2 镁合金中镁基体和第二相的晶体模型[3]： (a) Mg matrix; (b) MgZn2; (c) Mg2Ca; (d) Mg2Sr and (e) Mg17Al12

在教学过程中，学生虽然无法完全理解点阵群等抽象的概念，但由于该晶体模型的建立全程均可视化，可以任意调整位置和旋转，有利于学生更直观地了解相关结构，为理解材料的结构及性质奠定了基础，并提高了学生的学习兴趣和教学质量。类似的方法同样采用在电磁学的授课中：在讲解超导材料时，介绍了可以采用溶胶-凝胶方法制备Bi系超导材料，同时采用Materials Studio软件对Bi系超导材料的前驱络合物进行建模[5]，对于学生理解如何从前驱物获得超导体的过程奠定了基础，相关教学工作获得了理想的结果。

此外，上述模型的建立对于科研也具有十分重要的意义：由于上述模型结构复杂且在不同环境中容易发生相变，因此其热力学稳定性很难通过实验进行研究，是科研中的难点。因此，笔者尝试将教学与科研结合起来，以建立的模型为基础开展热力学稳定性的相关研究。Materials Studio软件内置多种计算模块，只要综合考虑此前建立的模型和实验中具体的环境，利用不同模块的计算功能，可以开展相关模型的热力学稳定性研究并获得相关数据，极大地促进科研进展并获得相关成果。同时，该研究不受实验科学中的设备限制，对于科研实验平台不完善的部门具有借鉴意义。受到该灵感的启发，笔者针对教学中自己已经建立的物理模型开展了如下的计算工作。

2 利用Materials Studio软件进行热力学计算

在上述的可视化模型的基础上，以镁合金第二相的热力学稳定性计算为例，开展了相关学术研究：对镁合金不同组分的热力学稳定性进行了计算和分析，并结合笔者在医用镁合金降解特性的实验研究数据[4]，研究医用镁合金的降解机制，研究思路如图3所示，具体过程及结果如下：

图3 热力学计算的研究流程

对于已经建立的晶体模型，利用Materials Studio 软件中的DMol3模块计算不同模型的热力学参数。DMol3模块为密度泛函(DFT)量子力学程序，其在商业化量子力学程序中是唯一可以模拟气相、液相、固相及表面的程序，目前已广泛应用于物理学、材料学及化学等诸多领域。其计算能力强大且支持并行计算，其操作界面如图4所示。

图4 Dmol3模块的操作界面

本研究尝试对镁基体及第二相进行建模，并采用DMol3模块对设计的结构模型进行几何结构优化和能量计算，并与实验结果进行比较：对于已经建好的模型，首先通过“Geometric Optimization”(即几何结构优化)模块对不同材料的几何结构进行优化。在此基础上，通过“Energy”(即能量)模块对优化后的模型能量进行计算，获得相应的各相的总能量。考虑到每种相包含的原子数量不同，计算各相能量与所含原子数的比例，获得平均每个原子对应的能量值，即可表征该相的热力学稳定性。在第二相中，MgZn2相的平均能量值最低，Mg2Ca相和Mg2Sr相的平均能量相差不大，而Mg17Al12相的平均能量最高。而对于镁基体，其能量高于所有的第二相。因此，在无外界条件的干扰下，第二相的热力学稳定性均高于镁基体。上述研究为镁合金作为可降解植入材料的研究奠定了基础。

结合上述研究，我们利用实验合成了Mg17Al12材料，并通过电化学工作站和浸泡实验测试了其耐蚀性能[4]。研究结果表明Mg17Al12的耐蚀性能显著高于镁基体，该结果与热力学计算结果相一致。因此，利用Materials Studio软件进行物理建模和计算可以为实验提供理论指导和数据支持。此外，笔者对于超导体Bi-2212的配合物前驱体的热力学稳定性进行了类似的计算，研究了不同凝胶工艺影响超导体的相纯度的相关机制[5]。该研究解决了实验中由于前驱体在溶液中易发生相变而无法测试其稳定性的问题，为进一步工作奠定了基础。

因此，本文以教学中的模型为基础而开展科研，能够在一定程度上利用教学研究时间为科学研究奠定基础，不仅为解决教学为主的教师科研时间不足问题提供了一条可行的方案，而且为在教学工作中提炼相关科研问题提供了一个参考。

3 结语

采用计算机模拟软件Materials Studio可以在可视化操作界面建立不同材料的晶体结构模型，可以为学生建立形象、直观的图像，利于学生理解相关物理理论。在此基础上，通过Dmol3模块对于不同材料的热力学稳定性进行研究，提高学术科研能力。值得指出的是，本次教学与科研的尝试是建立在Materials Studio商用软件平台进行建模和计算，软件平台版权是中国科学院武汉数学物理研究所提供的。因此，无论开展传统意义上的研究型学术还是教学学术，学术合作也是必不可少的。笔者也希望兄弟院校能够通过建立公共计算平台，开展相关合作，最大程度地利用计算软件资源。

[1] Boyer, E. L. Scholarship reconsidered: priorities of the professoriate. Princeton, NJ: Carnegie Foundation for the Advancement of Teaching, 1990.

[2] 杨华哲， 赵里昂，洪洋.中国医科大学物理课教学改革的思考与实践[J].物理与工程，2016, 26(1): 83-87. Yang Huazhe, Zhao Liang, Hong Yang. Review and Practice of Teaching Reform on Physics in China Medical School[J]. Physics and Engineering, 2014, 26(1): 83-87. (in Chinese)

[3] Yang Huazhe, Liu Chen, Wan Peng, et al. Study of Second Phase in Bioabsorbable Magnesium alloys: Phase Stability Evaluation via Dmol3 Calculation[J]. APL Materials, 2013, 1(5): 052104-1-052104-7.

[4] Liu Chen, Yang Huazhe, Wan Peng, et al. Study on Biodegradation of the Second Phase Mg17Al12in Mg-Al-Zn Alloys: In vitro Experiment and Thermodynamic Calculation[J]. Materials Science and Engineering: C, 2014, 35(1): 1-7.

[5] Yang Huazhe, M. Babar Shahzad, Yu Xiaoming, et al. Influence mechanism of secondary gel technique on Bi-2212 superconducting phase: Gel model simulation and verification[J]. Materials & Design, 2016, 99: 115-119.

■

APPLICATIONS OF MATERIALS STUDIO SOFTWARE IN MATERIAL PHYSICS TEACHING AND RESEARCH

Yang Huazhe

(Department of Biophysics,School of Fundamental Sciences, China Medical University, Shenyang Liaoning 110122)

It is a challenge to carry out scientific research in a department based on teaching. According to the teaching and research practice of material physics, we tried to promote the teaching-research transformation by studying the application and advantage of the commercial simulation software in material physics teaching and research. Crystal parameters of different materials were input into the relative module of Materials Studio software to build up the visual models. Then the microstructure of the materials could be displayed and the thermodynamic parameters of the crystal could be calculated. The interests of students in physics were stimulated in the process of teaching practice due to the visualized operation interface. In addition, the computer simulation can assist and provide theoretical explanations to the experimental results. Furthermore, teaching and scientific research can be combined through the simulation software, which provides feasible strategies to the scholarship of teaching in departments mainly based on teaching.

material physics; computer simulation; scholarship of teaching

2016-10-30

国家自然科学基金(编号：81500897)；国家留学基金(编号：201408210385)；辽宁省教育厅一般项目(编号：L2013285)。

杨华哲，男，副教授，主要从事物理学的科研与教学研究，hzyang@cmu.edu.cn。

杨华哲. Materials Studio软件在材料物理教学与科研中的应用[J]. 物理与工程，2017，27(3)：52-55,62.