劉利民（中科院北京計(jì)算中心，北京 100080）

材料基因工程：材料設(shè)計(jì)與模擬

劉利民
（中科院北京計(jì)算中心，北京 100080）

本文引用格式：劉利民.材料基因工程：材料設(shè)計(jì)與模擬[J]. 新型工業(yè)化，2015，5（12）：71-88.

1 材料設(shè)計(jì)與模擬發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 材料設(shè)計(jì)與模擬的主要內(nèi)容

材料模擬與計(jì)算設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)主要內(nèi)容：一個(gè)是材料的計(jì)算模擬，即通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)際過(guò)程；另一個(gè)是材料的計(jì)算設(shè)計(jì)，即直接通過(guò)材料的理論模型和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，預(yù)測(cè)或設(shè)計(jì)新材料結(jié)構(gòu)與性能。材料模擬與計(jì)算設(shè)計(jì)架起了從微觀結(jié)構(gòu)到宏觀性質(zhì)，從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用的橋梁。小到納米尺度的原子分子團(tuán)簇，大到飛機(jī)航母等大尺度的宏觀材料性質(zhì)都能通過(guò)不同的方法進(jìn)行計(jì)算模擬。隨著材料科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，我們能實(shí)現(xiàn)多尺度、高通量的材料模擬和計(jì)算設(shè)計(jì)，這將有助于我們理解材料結(jié)構(gòu)與性能、功能之間的關(guān)系，引導(dǎo)新型功能材料發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，縮短新材料研發(fā)周期，降低新材料研發(fā)過(guò)程成本。

1.2 材料設(shè)計(jì)與模擬和中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的聯(lián)系

1.2.1 材料設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的聯(lián)系

改革開(kāi)放三十年以來(lái)，中國(guó)的經(jīng)濟(jì)保持高速發(fā)展，國(guó)民生產(chǎn)總值已經(jīng)于2010年超越日本，躍居世界第二位。按照當(dāng)前中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度，若干年后中國(guó)必然會(huì)超越美國(guó)成為世界第一強(qiáng)國(guó)。中國(guó)科學(xué)院的研究報(bào)告曾指出：“如果說(shuō)20世紀(jì)是美國(guó)的世紀(jì)，那么21世紀(jì)將是中國(guó)的世紀(jì)。預(yù)計(jì)到2019年，中國(guó)對(duì)美國(guó)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)總量的超越。預(yù)計(jì)到2049年，新中國(guó)成立百年時(shí)，實(shí)現(xiàn)綜合國(guó)力和國(guó)際地位超越美國(guó)?！比欢獙?shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興，高度發(fā)達(dá)的科學(xué)技術(shù)是必備基礎(chǔ)，早在1988年鄧小平同志就提出了“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”的論斷?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀告訴我們，科學(xué)技術(shù)特別是高新科學(xué)技術(shù)，正在以越來(lái)越快的速度轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)力。中國(guó)要想在國(guó)與國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)中取得勝利，成為世界級(jí)的強(qiáng)國(guó)，必須優(yōu)先進(jìn)行長(zhǎng)遠(yuǎn)的科技戰(zhàn)略規(guī)劃，釋放科技創(chuàng)新的活力，明確打造科技強(qiáng)國(guó)的路徑。

材料是人類(lèi)社會(huì)賴(lài)以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，縱觀人類(lèi)發(fā)展的歷史，每種重要新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用都把人類(lèi)改造自然的能力提升到一個(gè)新的水平。在科技日新月異的當(dāng)代社會(huì)，每一項(xiàng)重大科技的突破也很大程度上都是依賴(lài)于相應(yīng)的新材料的發(fā)展。新材料是現(xiàn)代科技發(fā)展之本，現(xiàn)階段高新技術(shù)的發(fā)展往往以新材料技術(shù)為突破口，新材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，在某種程度上代表著一個(gè)國(guó)家的科技水平。新材料產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為二十一世紀(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，它能夠有力支撐節(jié)能環(huán)保、高端裝備制造、新能源汽車(chē)、新一代信息技術(shù)、生物技術(shù)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而以材料設(shè)計(jì)與模擬為理論基石的材料基因工程在新材料的研發(fā)過(guò)程中占有非常重要的地位。

1.2.2 材料設(shè)計(jì)與模擬在材料科學(xué)中的地位

如果按照傳統(tǒng)的材料制備、測(cè)試、分析，再結(jié)合理論研究的方法研究新材料，材料從研發(fā)到應(yīng)用往往需要通過(guò)反復(fù)的測(cè)試和改進(jìn)過(guò)程，這些過(guò)程需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的時(shí)間并且耗費(fèi)大量的資源。但是，隨著量子力學(xué)基本理論的建立和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們可以首先通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)新材料的原子結(jié)構(gòu)以及基本性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算模擬，從而大量的節(jié)省新材料研發(fā)過(guò)程的物力人力，減少環(huán)境污染，并且大大的縮短了新材料研發(fā)的周期。材料模擬與計(jì)算設(shè)計(jì)是繼實(shí)驗(yàn)研究方法、理論研究方法之后的第三個(gè)重要科學(xué)研究方法，對(duì)未來(lái)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展將起到越來(lái)越重要的作用。材料的理論模擬與計(jì)算設(shè)計(jì)是結(jié)合現(xiàn)代的材料科學(xué)與技術(shù)、物理學(xué)基本原理以及計(jì)算機(jī)技術(shù)而產(chǎn)生的新興學(xué)科，已經(jīng)成為當(dāng)前材料科學(xué)研究中最為活躍的熱點(diǎn)之一。

1.3 中國(guó)的“材料基因工程”計(jì)劃

材料計(jì)算模擬與計(jì)算設(shè)計(jì)一直以來(lái)都受到了美國(guó)、歐盟、日本、新加坡等世界主要國(guó)家和地區(qū)的重視。2011年6月24日，美國(guó)宣布了一項(xiàng)總金額超過(guò)5億美元的“推進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系”計(jì)劃，其中“材料基因組計(jì)劃”（其本質(zhì)是計(jì)算材料科學(xué)）是其重要的組成部分之一?！安牧匣蚪M計(jì)劃”擬通過(guò)新材料研制周期內(nèi)的政府、高校及企業(yè)之間的合作，注重實(shí)驗(yàn)技術(shù)、理論計(jì)算和數(shù)據(jù)庫(kù)之間的協(xié)作和共享，通過(guò)搜集眾多科學(xué)研究小組以及企業(yè)有關(guān)新材料的各種數(shù)據(jù)和信息，并且構(gòu)建專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)共享。“材料基因組計(jì)劃”解決了新材料從實(shí)驗(yàn)室到工廠過(guò)程中的一些問(wèn)題，有望使新材料的研發(fā)周期減半，研發(fā)成本降低到原來(lái)的幾分之一。中國(guó)工程院在2012年12月21日召開(kāi)了《材料科學(xué)系統(tǒng)工程發(fā)展戰(zhàn)略研究—中國(guó)版材料基因組計(jì)劃》重大項(xiàng)目啟動(dòng)會(huì)，掀開(kāi)了中國(guó)材料設(shè)計(jì)與模擬領(lǐng)域遠(yuǎn)景規(guī)劃的序幕。預(yù)計(jì)到2049年，中國(guó)建國(guó)100周年的時(shí)候，新的材料設(shè)計(jì)和模擬方法將不斷優(yōu)化，新材料數(shù)據(jù)庫(kù)也將不斷完善，材料的理論研發(fā)和工廠生產(chǎn)有望實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接。

2 2049年材料模擬計(jì)算方法愿景

2.1 電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法發(fā)展概況

材料所有的宏觀性質(zhì)都由材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)決定，因此新材料的研發(fā)離不開(kāi)材料的計(jì)算與模擬，準(zhǔn)確而有效的理論計(jì)算和模擬將會(huì)有效的減少材料的研發(fā)周期并且降低材料的研發(fā)成本。在材料的計(jì)算與模擬過(guò)程中電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算將是影響整個(gè)材料性能的關(guān)鍵，材料電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法也隨著時(shí)代的變遷而進(jìn)步。材料電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法基本分為兩類(lèi)，半經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算方法和第一性原理計(jì)算方法：半經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算方法在歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上擬合出相似規(guī)律的計(jì)算參數(shù)并應(yīng)用到其他的體系上；而第一性原理計(jì)算方法是指在計(jì)算時(shí)除了告訴程序你所使用的原子和它們的位置外，沒(méi)有其它任何實(shí)驗(yàn)的、經(jīng)驗(yàn)的或者半經(jīng)驗(yàn)的參量。它是通過(guò)求解體系的薛定諤方程，從而得到相應(yīng)材料的各種宏觀性質(zhì)。理論上任何材料的結(jié)構(gòu)和性能都能從對(duì)應(yīng)的薛定諤方程求解得到，因而第一性原理計(jì)算在材料計(jì)算與模擬領(lǐng)域便顯得十分重要。第一性原理計(jì)算在過(guò)去50多年的時(shí)間里經(jīng)歷了較為漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，最初電子結(jié)構(gòu)理論的經(jīng)典計(jì)算方法，特別是Hartree-Fock方法和后Hartree-Fock方法，是基于復(fù)雜的多電子波函數(shù)的。隨后發(fā)展起來(lái)的密度泛函理論（Density Functional Theory，DFT）是用電荷密度取代電子波函數(shù)作為研究的基本量[1]。因?yàn)槎嚯娮硬ê瘮?shù)有3N個(gè)變量（N為總電子數(shù)，每個(gè)電子包含三個(gè)空間變量），然而電荷密度則僅僅是三個(gè)變量的函數(shù)，因此，密度泛函理論無(wú)論在概念上還是實(shí)際應(yīng)用上都比傳統(tǒng)的Hartree-Fock方法更加方便處理。

2.2 原子尺度材料設(shè)計(jì)與模擬方法的發(fā)展

2.2.1 原子尺度材料設(shè)計(jì)的方法與精度

密度泛函理論是原子尺度材料設(shè)計(jì)最常用的方法，它主要是通過(guò)求解Kohn-Sham方程來(lái)實(shí)現(xiàn)的[2]。在Kohn-Sham的框架中，最難處理的多體問(wèn)題被簡(jiǎn)化成了一個(gè)沒(méi)有相互作用的電子在有效勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。這個(gè)有效勢(shì)場(chǎng)包括了外部勢(shì)場(chǎng)以及電子間庫(kù)侖相互作用的影響，即交換和關(guān)聯(lián)相互作用。密度泛函理論近似求解方法從最初局域密度近似（LDA）到廣義梯度近似（GGA），meta-GGA，hyper-GGA以及隨機(jī)相近似的過(guò)程。新發(fā)展的交換關(guān)聯(lián)泛函或第一原理計(jì)算方法能夠克服原有方法的某種缺陷和不足，并且比原來(lái)的計(jì)算方法有更高的計(jì)算精度。因此，通過(guò)不斷的修正交換關(guān)聯(lián)泛函或改進(jìn)計(jì)算方法，可以不斷的提高材料模擬與計(jì)算精度，形成了一個(gè)可以達(dá)到理想計(jì)算精度“天堂”的“雅克比階梯”（圖2.1）。

2.2.2 原子尺度材料設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

密度泛函理論的發(fā)展是隨著時(shí)代的進(jìn)步與時(shí)俱進(jìn)的，同時(shí)也受著時(shí)代發(fā)展的制約。一般來(lái)說(shuō)越為精確的方法越是需要越多的計(jì)算資源做支撐，雅克比階梯上越靠近理想精度“天堂”的方法越需要極其龐大的計(jì)算資源。目前的第一性原理電子結(jié)構(gòu)計(jì)算只能計(jì)算原子數(shù)目不多的小體系或者周期性的系統(tǒng)，而在原子數(shù)目較多的大體系上的應(yīng)用還相當(dāng)困難。然而未來(lái)的材料計(jì)算，大尺度的材料計(jì)算與模擬將會(huì)是一種趨勢(shì)，尤其是在基于像云計(jì)算和量子計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，原子數(shù)較多的大體系計(jì)算也有可能在未來(lái)幾十年內(nèi)便可實(shí)現(xiàn)。隨著新的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的不斷發(fā)展和進(jìn)步，電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算誤差可以進(jìn)一步減小，材料計(jì)算和模擬的精度進(jìn)一步提高，計(jì)算結(jié)果將與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加接近。

到2049年時(shí)，新的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，比如新的交換關(guān)聯(lián)泛函的出現(xiàn)，或許能夠彌補(bǔ)許多現(xiàn)行方法的不足之處，亦有可能精確的實(shí)現(xiàn)計(jì)算模擬結(jié)果和實(shí)際材料性能的無(wú)縫銜接。材料的計(jì)算模擬的結(jié)果都能夠很好的與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相匹配，引領(lǐng)實(shí)驗(yàn)和新材料研發(fā)的方向。我們只要給出既定的材料性能需求，便可在海量的材料庫(kù)中找出或者匹配出相應(yīng)的材料，通過(guò)進(jìn)一步的計(jì)算模擬得出最優(yōu)的結(jié)果，再引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)得到這樣的材料，這樣在短時(shí)間內(nèi)便可實(shí)現(xiàn)需求到產(chǎn)品這樣的流程，將會(huì)大大縮短人類(lèi)對(duì)新材料的研發(fā)周期和研發(fā)成本。

圖2.1 密度泛函理論的“雅克比階梯”

2.3 分子尺度材料設(shè)計(jì)與模擬方法的發(fā)展

2.3.1 分子尺度材料設(shè)計(jì)與模擬的概念與分類(lèi)

在當(dāng)今材料計(jì)算科學(xué)研究中，分子動(dòng)力學(xué)（Molecular Dynamics，MD）無(wú)疑是一項(xiàng)極其重要的模擬手段。自1957年Alder等人首次在硬球模型下，采用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬方法成功研究了氣體和液體的狀態(tài)方程來(lái)，分子動(dòng)力學(xué)便正式出現(xiàn)在人們的視線(xiàn)里并開(kāi)始嶄露頭角。尤其是在20世紀(jì)80年代后期，得益于日新月異的計(jì)算機(jī)技術(shù)，分子動(dòng)力學(xué)模擬更是得到了飛速發(fā)展，被成功地廣泛應(yīng)用于材料，物理，化學(xué)，生物，醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。

分子動(dòng)力學(xué)方法會(huì)如此廣泛的受到科學(xué)工作者的青睞自然與它自身性質(zhì)息息相關(guān)。首先分子動(dòng)力學(xué)它是一套結(jié)合了物理，數(shù)學(xué)和化學(xué)綜合技術(shù)的分子模擬方法，而所謂的分子模擬則是利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)上原子核的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而得到實(shí)驗(yàn)上基本無(wú)法觀測(cè)到的原子尺度上的微觀細(xì)節(jié)。故它與蒙特卡洛方法一起享有“計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)”的贊譽(yù)。但與蒙特卡洛方法相比，利用分子動(dòng)力學(xué)模擬可以計(jì)算得到更加準(zhǔn)確和有效的熱力學(xué)量及其他宏觀性質(zhì)。因此作為實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要輔助手段，分子動(dòng)力學(xué)自然從其誕生伊始便在材料計(jì)算與模擬領(lǐng)域大放異彩。

另外，不同于需要求解薛定諤方程從而得到電子波函數(shù)的密度泛函理論，經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)假定原子的運(yùn)動(dòng)遵守的是牛頓運(yùn)動(dòng)方程。這樣，要進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬就剩下獲取原子間相互作用勢(shì)，即得到相應(yīng)的電子基態(tài)。而采用密度泛函理論理論就能夠得到電子基態(tài)結(jié)構(gòu)，然而由于該方法計(jì)算的復(fù)雜，對(duì)于超過(guò)上百個(gè)原子的體系，計(jì)算量就已達(dá)到驚人的地步。有鑒于此，分子動(dòng)力學(xué)巧妙的利用了經(jīng)驗(yàn)勢(shì)來(lái)代替原子間實(shí)際作用勢(shì)，如早期常見(jiàn)的二體勢(shì)（Lennard Jones 簡(jiǎn)稱(chēng)LJ勢(shì)，Morse勢(shì)，Johnson勢(shì)等）以及后來(lái)出現(xiàn)的多體勢(shì)（EAM勢(shì)等）。如此一來(lái)，整個(gè)體系的計(jì)算量大大降低，故而相比傳統(tǒng)的第一性原理計(jì)算方法，采用分子動(dòng)力學(xué)所對(duì)應(yīng)的體系無(wú)論是在空間尺度還是在時(shí)間尺度上都有了質(zhì)的提升。

2.3.2 分子尺度材料模擬的基本特點(diǎn)

分子動(dòng)力學(xué)在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)分子模擬一般來(lái)說(shuō)可以分為如下幾步：1.設(shè)定模擬所采用的模型，主要也就是勢(shì)函數(shù)和力場(chǎng)的選取。常見(jiàn)的勢(shì)函數(shù)如前所述主要就是二體勢(shì)和多體勢(shì)，常見(jiàn)的力場(chǎng)包括全原子、聯(lián)合和粗?；?chǎng)；2.確定初始條件，即給定初始構(gòu)型和粒子的初始速度。一個(gè)合理的初始構(gòu)型可以加快系統(tǒng)趨向平衡，在確定起始構(gòu)型之后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)波爾茲曼分布賦予各個(gè)原子的初始速度；3.趨向平衡過(guò)程。當(dāng)初始條件和邊界條件給定后，這時(shí)就可以根據(jù)牛頓力學(xué)以及預(yù)先給定的相互作用勢(shì)來(lái)解運(yùn)動(dòng)方程，計(jì)算粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。但此時(shí)的系統(tǒng)并非是一個(gè)平衡狀態(tài)，計(jì)算出的能量也并非是穩(wěn)定的系統(tǒng)的能量，因此此刻得到的物理量是沒(méi)有實(shí)際意義的。為了使得系統(tǒng)達(dá)到平衡，模擬中會(huì)給系統(tǒng)增加或者移出能量，直到持續(xù)給出一段穩(wěn)定的能量值。那么稱(chēng)此刻的系統(tǒng)達(dá)到平衡，到達(dá)平衡狀態(tài)的這段時(shí)間稱(chēng)為弛豫時(shí)間。實(shí)際上在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，為了合理盡快的得到平衡狀態(tài)，時(shí)間步長(zhǎng)的選取至關(guān)重要；4.宏觀性質(zhì)的計(jì)算。體系達(dá)到平衡后，就可以通過(guò)沿相空間軌跡來(lái)求體系的構(gòu)型積分，然后以構(gòu)型積分的結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)一步計(jì)算體系的熱力學(xué)量和其他宏觀物理性質(zhì)。圖2.2為其主要流程圖：

圖2.2 分子動(dòng)力學(xué)方法在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)分子模擬的主要流程圖

然而經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)在選用經(jīng)驗(yàn)勢(shì)時(shí)，雖然可以加快計(jì)算，但除了經(jīng)驗(yàn)勢(shì)自身的局限性之外，它還完全丟失了局域電子之間強(qiáng)相關(guān)作用信息，這樣在模擬中它既不能得到成鍵性質(zhì)也不能得到電子性質(zhì)。為了彌補(bǔ)這一缺陷，1985年，Car和Parrinello在經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上引入了電子虛擬動(dòng)力學(xué)，首次把密度泛函理論與分子動(dòng)力學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，提出了從頭算（ab initio） 分子動(dòng)力學(xué)方法（簡(jiǎn)稱(chēng)CPMD方法）[3]，極大的改善了傳統(tǒng)分子動(dòng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)勢(shì)的不足。另外近些年基于SCC-DFTB理論可以更加準(zhǔn)確的研究大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。可以說(shuō)正是第一性原理分子動(dòng)力學(xué)的出現(xiàn)，才使得計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的廣度和深度得到了極大的擴(kuò)展。

2.3.3 分子尺度材料模擬的發(fā)展方向

對(duì)于未來(lái)分子動(dòng)力學(xué)方法的發(fā)展和改善，將主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)。第一，計(jì)算方法的改進(jìn)。無(wú)論是經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)的經(jīng)驗(yàn)勢(shì)還是將密度泛函理論與分子動(dòng)力學(xué)有機(jī)結(jié)合，無(wú)不體現(xiàn)出人類(lèi)智慧的結(jié)晶。然而人類(lèi)的智慧是無(wú)窮無(wú)盡的，尤其是站在先輩的肩膀上，未來(lái)更加完善更加精確的方法出現(xiàn)也是指日可待的。不管是通過(guò)第一性原理方法來(lái)尋找更加精確的交換關(guān)聯(lián)泛函，還是另辟蹊徑得到準(zhǔn)確的體系微觀相互作用，分子動(dòng)力學(xué)勢(shì)必會(huì)得益于此從而在計(jì)算材料領(lǐng)域有著更加廣泛的應(yīng)用。屆時(shí)不僅對(duì)傳統(tǒng)的吸附傳輸問(wèn)題有著更加深刻的理解，極端條件如高溫高壓下穩(wěn)定性預(yù)測(cè)也能成功實(shí)現(xiàn)。另外諸如薄膜的形成，材料的生長(zhǎng)等一系列復(fù)雜的微觀動(dòng)力學(xué)過(guò)程將會(huì)栩栩如生的展現(xiàn)在人類(lèi)面前；

第二，高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展?，F(xiàn)如今計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展已令人目不暇接，未來(lái)計(jì)算機(jī)性能更是讓人無(wú)法估測(cè)?？梢钥隙ǖ氖歉L(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)力學(xué)演化，更大尺度的體系和更精確的分子動(dòng)力學(xué)模擬都將成為可能。有了高性能計(jì)算機(jī)的支撐，對(duì)于未來(lái)的分子動(dòng)力學(xué)模擬，其研究的系統(tǒng)規(guī)模可以輕松達(dá)到數(shù)百萬(wàn)個(gè)原子，模擬時(shí)間不再是納秒、微秒量級(jí)，而將跨越毫秒甚至達(dá)到秒量級(jí)，再一次實(shí)現(xiàn)計(jì)算領(lǐng)域的重大突破。那樣一來(lái)材料科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒋蠓鶖U(kuò)展，實(shí)驗(yàn)材料成本大幅降低，新穎材料的理論預(yù)測(cè)亦將統(tǒng)統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。甚至利用分子動(dòng)力學(xué)讓計(jì)算機(jī)完全代替實(shí)驗(yàn)也未嘗沒(méi)有可能。

總而言之，精度、速度、空間、時(shí)間是分子動(dòng)力學(xué)未來(lái)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)，高性能計(jì)算機(jī)則是推動(dòng)它前進(jìn)的動(dòng)力源泉。毫無(wú)疑問(wèn)的是分子動(dòng)力學(xué)方法必將在材料計(jì)算與模擬領(lǐng)域留下極其濃厚的一筆。

3 多尺度高通量的材料設(shè)計(jì)

3.1 多尺度高通量材料設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

對(duì)于材料性質(zhì)的研究，理論計(jì)算與模擬具有極強(qiáng)的理論指導(dǎo)性及預(yù)見(jiàn)性，能夠較好的解釋實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)中的不足提出改進(jìn)，進(jìn)一步指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。理論模擬計(jì)算研究材料性質(zhì)的兩種最常用的方法是密度泛函理論和分子動(dòng)力學(xué)。密度泛函理論能從電子的層面探討材料的光學(xué)、磁性、力學(xué)等性質(zhì)，而分子動(dòng)力學(xué)從原子的尺度研究材料的熱力學(xué)性質(zhì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和新的理論計(jì)算方法的應(yīng)用，多尺度高通量篩選新材料、設(shè)計(jì)新器件已經(jīng)成為材料計(jì)算模擬領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)。

高通量多尺度計(jì)算來(lái)研究及設(shè)計(jì)材料，是2011年美國(guó)提及的“材料基因計(jì)劃”中的重要概念，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的快速研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的主要手段，能更好的走出理論設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)研究、應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化，即學(xué)-研-產(chǎn)的道路。高通量設(shè)計(jì)材料，是根據(jù)材料的化學(xué)組分及基本信息，再基于基本的理論研究方法及材料設(shè)計(jì)需求，并應(yīng)用或發(fā)展新的算法，植入到或整合現(xiàn)有的理論代碼，或發(fā)展新的計(jì)算模擬軟件，來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)材料的目的。多尺度計(jì)算，主要是針對(duì)材料的不同尺度、不同環(huán)境研究需求，在保持精度的同時(shí)提高計(jì)算速度，從而在不同的尺度下研究材料性質(zhì)?；诨纠碚摰母咄慷喑叨饶M，必將成為設(shè)計(jì)材料的強(qiáng)力手段。

3.2 多尺度高通量材料設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀

3.2.1 基于多尺度材料設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)軟件發(fā)展

高通量計(jì)算，即基于基本的量子力學(xué)及物質(zhì)的化學(xué)組分，根據(jù)外部條件，設(shè)定特定的目標(biāo)函數(shù)，來(lái)預(yù)測(cè)或?qū)ふ以囼?yàn)中合成的新材料，為實(shí)驗(yàn)提供解釋或指導(dǎo)，設(shè)計(jì)新材料。近年來(lái)，吉林大學(xué)馬琰銘教授課題組開(kāi)發(fā)了功能強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)軟件CALPSO（Crystal structureAnalysis byParticleSwarmOptimization）[4]，該軟件首次將粒子群算法引入到結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)之中。該軟件可以實(shí)現(xiàn)能量目標(biāo)導(dǎo)向型結(jié)構(gòu)搜索（比如尋找給定原子種類(lèi)和數(shù)目結(jié)構(gòu)的能量最低結(jié)構(gòu)），根據(jù)晶體的空間群或者是隨機(jī)產(chǎn)生初始的結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行第一性原理精度（結(jié)合第一性原理軟件包VASP，CASTEP）結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并將能量作為目標(biāo)函數(shù)利用基因算法或粒子群算法一代一代的進(jìn)行結(jié)構(gòu)搜索，掃描結(jié)構(gòu)的多維空間，找到能量低的材料結(jié)構(gòu)。以CALYSPO 為例，其已成功給出了實(shí)驗(yàn)上絕緣鋰結(jié)構(gòu)，其預(yù)測(cè)ABA2-40鋰結(jié)構(gòu)也被實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。作為該類(lèi)方法的發(fā)展，更高的要求應(yīng)運(yùn)而生：能不能設(shè)計(jì)針對(duì)其他特定目標(biāo)的結(jié)構(gòu)，以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。作為一種擴(kuò)展，復(fù)旦大學(xué)的向紅軍教授便基于太陽(yáng)能電池材料的基本物理化學(xué)性質(zhì)的要求，在CALYPSO基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，并成功尋找可能具有直接帶隙并可能用于光吸收的Si20-T材料。結(jié)合以上軟件的高通量計(jì)算，能夠空間的尋找結(jié)構(gòu)，從而使得搜索到所需材料的可能性大大提高。

基于以上軟件實(shí)現(xiàn)的高通量計(jì)算，能夠更大程度的搜索新材料的結(jié)構(gòu)，但仍然受計(jì)算量的限制。因此降低計(jì)算量變得十分需要，對(duì)此現(xiàn)有兩種方案可以解決。第一，基于第一性原理的精度及分子動(dòng)力學(xué)的速度情況下進(jìn)行以上軟件的改進(jìn)，從而能更高效的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)。例如王才壯教授等人便對(duì)傳統(tǒng)GA結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)軟件進(jìn)行了改進(jìn)，用到程序中第一性原理計(jì)算的擬合勢(shì)力場(chǎng)，用擬合的勢(shì)場(chǎng)結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)并用第一性原理計(jì)算軟件驗(yàn)證，其可以在提高搜索空間的情況下大大降低計(jì)算量。第二，根據(jù)化學(xué)成鍵規(guī)律來(lái)減低搜索的空間。

3.2.2 化學(xué)反應(yīng)的多尺度設(shè)計(jì)與模擬方法

除了預(yù)測(cè)新結(jié)構(gòu)，也可以針對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行的摻雜、過(guò)渡態(tài)的進(jìn)行高通量處理。例如，利用clus-ter expansion 與 Monte Carlo 相結(jié)合的ATAT （Alloy Theoretic Automated Toolkit）軟件，根據(jù)第一性原理擬合展開(kāi)集團(tuán)相互作用（effective cluster interaction）來(lái)研究合金、鋰電池材料及其他摻雜或空位材料的性質(zhì)。這種方法，既可以實(shí)現(xiàn)高通量計(jì)算，也可以降低計(jì)算量。另外，對(duì)于涉及到化學(xué)反應(yīng)等過(guò)渡態(tài)問(wèn)題，由于其涉及到多個(gè)能量低點(diǎn)，并尋找兩種態(tài)之間可能低的能量勢(shì)壘。復(fù)旦大學(xué)劉智攀教授基通過(guò)利用隨機(jī)游走方法尋找光滑的勢(shì)能面，來(lái)解決此類(lèi)問(wèn)題。

3.3 多尺度高通量材料模擬展望

3.3.1 多尺度材料智能搜索程序的發(fā)展

對(duì)于未來(lái)高通量多尺度的發(fā)展，應(yīng)該更貼近基礎(chǔ)理論的發(fā)展及算法改進(jìn)、基于結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)性質(zhì)的高通量篩選、更大尺度的系統(tǒng)考慮材料的性質(zhì)等方向。我們現(xiàn)有的高通量的智能搜索程序，能解決很多問(wèn)題。更多的考慮材料性質(zhì)導(dǎo)向性，并且能夠解決眾多的問(wèn)題。例如，如果我們想要尋找更好的熱電材料，我們應(yīng)該在前面提到軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行定向的粗略篩選。充分考慮到電子、空穴有效質(zhì)量，材料的形變能及帶隙對(duì)熱電材料的要求，來(lái)達(dá)到目的。在電池領(lǐng)域的研究中，氧化還原反應(yīng)是其中的核心，合金材料可能會(huì)有很大的催化活性及極高的經(jīng)濟(jì)效益。并可以根據(jù)初始的氧化還原反應(yīng)對(duì)材料化學(xué)性質(zhì)要求來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如氧原子的在催化材料吸附作用適中是氧化反應(yīng)的前提，因此基于cluster expansion方法尋找合適的合金材料（材料的基本結(jié)構(gòu)），來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)合成。另外，可以發(fā)展化學(xué)反應(yīng)的勢(shì)壘面，比如在催化反應(yīng)中尋找整個(gè)反應(yīng)的最可能路徑，最大程度的實(shí)現(xiàn)高通量篩選。

3.3.2 新型功能材料的多尺度設(shè)計(jì)與模擬

新型功能材料的理論設(shè)計(jì)，離不開(kāi)對(duì)其基本物理化學(xué)性質(zhì)的要求。高通量的計(jì)算，要基于對(duì)材料性質(zhì)的研究。實(shí)現(xiàn)特定功能的某一類(lèi)材料，應(yīng)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)其基本的性質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)描述，并且可以設(shè)置成為網(wǎng)絡(luò)共享的資源，材料設(shè)計(jì)所用。而新材料設(shè)計(jì)，除了要尋找及預(yù)測(cè)新的材料，也要綜合先前材料的性質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的合理拼接或是組合，以期望能提高一種或幾種性能，實(shí)現(xiàn)材料的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，為了實(shí)現(xiàn)特定功能，可以利用現(xiàn)有材料的綜合特點(diǎn)整合來(lái)實(shí)現(xiàn)。比如，在太陽(yáng)能領(lǐng)域的光催化材料，應(yīng)有較強(qiáng)的吸光能力，并且光產(chǎn)生的電荷空穴應(yīng)有效分離，來(lái)更有效的傳導(dǎo)光產(chǎn)生的電流。在現(xiàn)有的光催化材料中很少有單一的光催化材料能實(shí)現(xiàn)此類(lèi)功能。因此，對(duì)兩種或者更多此類(lèi)材料做成的p-n 結(jié)有可能更好的實(shí)現(xiàn)此類(lèi)功能。因此，高通量計(jì)算能夠針對(duì)不同的光催化材料進(jìn)行篩選，并建立相應(yīng)的庫(kù)，能更快實(shí)現(xiàn)光催化效率的提高。其次，作為材料的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮材料與周?chē)h(huán)境影響（材料與其他材料或液體的接觸），可能使不適合的某種目的材料能克服其缺點(diǎn)。通過(guò)高通量的篩選，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)材料的性能大幅度提高。最后，材料的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮其經(jīng)濟(jì)及其實(shí)際意義，通過(guò)高通量計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)新型替代材料的產(chǎn)業(yè)化。例如，金屬鉑在燃料電池中具有極高的催化效率，而地球中金屬鉑元素含量及其稀少。因此，高通量計(jì)算應(yīng)該針對(duì)此類(lèi)為題進(jìn)行大量的理論及實(shí)際設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出更有效地催化材料。

多尺度的計(jì)算材料設(shè)計(jì)，主要應(yīng)從兩方面進(jìn)行考慮：同一材料不同尺度的模擬及不同材料在相同尺度的模擬。再結(jié)合高通量的材料計(jì)算和模擬，以便縮短材料設(shè)計(jì)周期，提高計(jì)算材料的可靠性。首先，應(yīng)通過(guò)對(duì)不同材料不同尺度的模擬，更好的了解其性質(zhì)。第一原理與分子動(dòng)力學(xué)結(jié)合，是其中的發(fā)展方向之一：對(duì)于大體系的材料，部分通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬和核心部分進(jìn)行第一性原理模擬相結(jié)合。另一發(fā)展方向是以第一性原理研究其基本的性質(zhì)并建立適當(dāng)?shù)膭?shì)能函數(shù)，用分子動(dòng)力學(xué)描繪其更大的體系已達(dá)到介觀甚至宏觀的尺度。再者，應(yīng)對(duì)材料的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)時(shí)考慮不同尺度的模擬。例如在太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)工程中，對(duì)于太陽(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)光的方向，光在太陽(yáng)能電池外層的透光材料、吸光材料及收集電流的電流材料進(jìn)行多尺度系統(tǒng)研究，提高其效率，并且進(jìn)一步提高材料的系統(tǒng)有效性。

未來(lái)高通量多尺度的設(shè)計(jì)，應(yīng)該從基本理論計(jì)算方法的開(kāi)發(fā)、滿(mǎn)足某一特性材料的物理化學(xué)基本特性的探索、新結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)及特定目標(biāo)導(dǎo)向性結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)算法及軟件的開(kāi)發(fā)為工具，結(jié)合材料基本庫(kù)的建立及共享、已有材料特性的借鑒設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)新型或合成材料，并通過(guò)高通量多尺度的模擬以期望縮短新材料從設(shè)計(jì)到應(yīng)用的周期。

4 材料數(shù)據(jù)庫(kù)

4.1 材料數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展現(xiàn)狀

4.1.1 材料數(shù)據(jù)庫(kù)的用途

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和普及，材料數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始蓬勃發(fā)展。美國(guó)、歐盟、日本、新加坡等世界主要國(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)施了一系列相關(guān)的研究計(jì)劃和項(xiàng)目。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(kāi)“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。就目前情況而看世界各地一些科研院所、高校等單位開(kāi)始建立自己的材料數(shù)據(jù)庫(kù)包括力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫(kù)、金屬?gòu)椥孕阅軘?shù)據(jù)中心、材料腐蝕數(shù)據(jù)庫(kù)、材料摩擦及磨損數(shù)據(jù)庫(kù)、高溫材料數(shù)據(jù)庫(kù)，HT-DB收集各種金屬、非金屬、復(fù)合材料的力學(xué)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)等。材料數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，有利于減少材料的重復(fù)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，對(duì)縮短新材料的研發(fā)周期，節(jié)約新材料的研發(fā)成本具有非常積極的作用。

4.1.2 材料的設(shè)計(jì)與模擬是材料數(shù)據(jù)庫(kù)的重要來(lái)源之一

就目前的發(fā)展來(lái)看，這些國(guó)內(nèi)外的數(shù)據(jù)庫(kù)多數(shù)展現(xiàn)出功能單一，數(shù)據(jù)量較少，覆蓋面較窄，且共享性差等一些特點(diǎn)。傳統(tǒng)的材料數(shù)據(jù)庫(kù)主要來(lái)源于實(shí)驗(yàn)合成的數(shù)據(jù)，隨著理論方法的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，從而使得理論計(jì)算預(yù)測(cè)材料成為可能。云計(jì)算集中各種閑置的計(jì)算資源，打破了傳統(tǒng)的地域格局（以虛擬運(yùn)營(yíng)形態(tài)），提出了對(duì)云服務(wù)使用者、運(yùn)營(yíng)者、行業(yè)監(jiān)管和國(guó)家政策法規(guī)等新的挑戰(zhàn)?；诙喑叨雀咄坑?jì)算（云計(jì)算）引入，將可以大大的增加理論預(yù)測(cè)材料數(shù)據(jù)，這無(wú)疑會(huì)豐富數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容。另一方面，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展將使材料數(shù)據(jù)共享功能大大提高。因此如何建立與云計(jì)算有效的相互關(guān)聯(lián)的材料數(shù)據(jù)庫(kù)是個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題。由于計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫(kù)是綜合物理，化學(xué)及生物的交叉學(xué)科的數(shù)據(jù)庫(kù)，為提高材料高級(jí)科學(xué)發(fā)現(xiàn)、縮短材料開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化周期方面發(fā)揮著重要的作用。

4.2 常用材料數(shù)據(jù)庫(kù)

4.2.1 材料基因工程數(shù)據(jù)庫(kù)

材料基因組計(jì)劃，是2011年6月24日美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動(dòng)一項(xiàng)價(jià)值超過(guò)5億美元的“先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系”（Advanced Manufacturing Partnership）計(jì)劃。該計(jì)劃呼吁美國(guó)政府、高校及企業(yè)之間應(yīng)加強(qiáng)合作，以強(qiáng)化美國(guó)制造業(yè)領(lǐng)先地位，而“材料基因組計(jì)劃”（Materials Genome Initiative）作為“先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系”計(jì)劃中的重要組成部分，投資將超過(guò)1億美元?！安牧匣蚪M計(jì)劃”是美國(guó)經(jīng)過(guò)信息技術(shù)革命后，充分認(rèn)識(shí)到材料革新對(duì)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要作用，以及在復(fù)興制造業(yè)的戰(zhàn)略背景下提出來(lái)的。數(shù)據(jù)共享與計(jì)算工具開(kāi)發(fā)對(duì)“材料基因組計(jì)劃”的成功至關(guān)重要。

先進(jìn)功能材料復(fù)雜的物理與化學(xué)特性可以因不同的應(yīng)用需要而相應(yīng)調(diào)整，并可以在合成、生產(chǎn)和使用過(guò)程中改變。對(duì)這些特性的跟蹤是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)，“材料基因組計(jì)劃”的努力還包括將術(shù)語(yǔ)、數(shù)據(jù)歸檔格式和指南報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)化，并建立了一個(gè)大型的材料數(shù)據(jù)庫(kù)（https：//materialsproject.org/）。目前該數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)初具規(guī)模，它已經(jīng)包含了6萬(wàn)多種化合物，4萬(wàn)多種能帶結(jié)構(gòu)信息，以及1萬(wàn)多種鋰電材料的基本特性，并且各種新的材料數(shù)據(jù)在不斷的增加和完善。目前材料基因工程數(shù)據(jù)庫(kù)極大的方便了材料研究人員與企業(yè)設(shè)計(jì)者的溝通與合作，提高了新材料研發(fā)的效率，并能夠有效的降低新材料的研發(fā)成本。

4.2.2 其它的常用材料數(shù)據(jù)庫(kù)

（1）無(wú)機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)

無(wú)機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（The Inorganic Crystal Structure Database，簡(jiǎn)稱(chēng)ICSD）。由德國(guó)的FIZ（Fachinformationszentrum Karlsruhe）和The Gmelin Institute （Frankfurt） 聯(lián)合編輯。無(wú)機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)收集并提供到目前為止所有試驗(yàn)測(cè)定的、除了金屬和合金以外、不含C–H鍵的無(wú)機(jī)物晶體結(jié)構(gòu)的信息，包括化學(xué)名和化學(xué)式、礦物名和相名稱(chēng)、晶胞參數(shù)、空間群、原子坐標(biāo)、3D晶體結(jié)構(gòu)圖、熱參數(shù)、位置占位度、理論粉晶衍射圖、R因子及有關(guān)文獻(xiàn)等各種信息。該數(shù)據(jù)庫(kù)從1913年開(kāi)始出版，至今已包含近10萬(wàn)條化合物目錄。每年更新兩次，每次更新會(huì)增加2000種新化合物，所有的數(shù)據(jù)都是由專(zhuān)家記錄并且經(jīng)過(guò)幾次的修正，是國(guó)際最權(quán)威的無(wú)機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）宇航結(jié)構(gòu)金屬數(shù)據(jù)庫(kù)

宇航結(jié)構(gòu)金屬數(shù)據(jù)庫(kù)（Aerospace Structural Metals Database，ASMD）是宇航結(jié)構(gòu)金屬手冊(cè)（Aerospace Structural Metals Handbook，ASMH）的網(wǎng)絡(luò)版。宇航結(jié)構(gòu)金屬手冊(cè)是一部6卷的關(guān)于合金的手冊(cè)，這些合金被用于汽車(chē)、建筑材料、學(xué)術(shù)和航空領(lǐng)域。其主要數(shù)據(jù)由美國(guó)空軍材料部（位于懷特-帕特森空軍基地，俄亥俄州代頓市）與美國(guó)普渡大學(xué)合作設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。普渡大學(xué)（Purdue University）的一個(gè)部門(mén)叫做情報(bào)與數(shù)值數(shù)據(jù)分析和綜合中心（the Center for Information and Numerical Data Analysis and Synthesis，CINDAS）。它由美國(guó)國(guó)防部提供經(jīng)費(fèi)資助，專(zhuān)門(mén)從事材料性能和處理領(lǐng)域的復(fù)雜的和系統(tǒng)的研究項(xiàng)目長(zhǎng)達(dá)45年，承擔(dān)著材料基本特性的情報(bào)處理中心的作用。宇航結(jié)構(gòu)金屬手冊(cè)共出了四十多版，現(xiàn)已停止紙本和光盤(pán)的出版。宇航結(jié)構(gòu)金屬手冊(cè)網(wǎng)絡(luò)版（ASMD）不僅繼續(xù)更新數(shù)據(jù)，而且提供便于瀏覽、檢索的用戶(hù)界面。宇航結(jié)構(gòu)金屬數(shù)據(jù)庫(kù)包含了超過(guò)220種合金，如：不銹鋼、鎳合金、鎂合金、鈦合金、鈮合金、鉬合金、鈷合金、鈹合金、鉭合金、鎢合金，內(nèi)容極其廣泛，總計(jì)超過(guò)8萬(wàn)條數(shù)據(jù)曲線(xiàn)。宇航結(jié)構(gòu)金屬手冊(cè)網(wǎng)絡(luò)版收錄的合金材料數(shù)據(jù)有多個(gè)來(lái)源，其中包括美國(guó)空軍材料部和美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）。新增加的合金數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)人員的嚴(yán)格篩選后，不斷被添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（3）結(jié)構(gòu)合金手冊(cè)

結(jié)構(gòu)合金手冊(cè)（Structural Alloys Handbook，SAH）手冊(cè)最初用于協(xié)助設(shè)計(jì)者選擇金屬和合金，是一個(gè)包含實(shí)證過(guò)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和金屬性能信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。結(jié)構(gòu)合金手冊(cè)包括了用于建筑、重型設(shè)備、機(jī)械工具、汽車(chē)和一般制造業(yè)中常用的重要金屬和合金，有鑄鐵、煅鋼、鍛制不銹鋼、鑄鋼、鍛造鋁和鑄銅、黃銅、青銅、鋁、鎂、鈦等多種不同金屬材料。結(jié)構(gòu)合金手冊(cè)提供這些金屬材料和合金材料的典型的、詳細(xì)的描述數(shù)據(jù)。

（4）工程材料數(shù)據(jù)庫(kù)

工程材料數(shù)據(jù)庫(kù)是針對(duì)機(jī)械行業(yè)專(zhuān)業(yè)人士查詢(xún)材料數(shù)據(jù)信息而開(kāi)發(fā)的大型材料數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)軟件為用戶(hù)提供常用材料標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、型材數(shù)據(jù)信息、國(guó)內(nèi)外常用材料牌號(hào)對(duì)照等幾部分?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)容。

常用材料標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包括九大類(lèi)約1200余種常用材料的化學(xué)成分、化學(xué)性能、物理性能、力學(xué)性能、工藝性能、材料用途等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可供機(jī)械行業(yè)專(zhuān)業(yè)人士方便查詢(xún)；型材包括型鋼、鋼板及鋼帶、鋼絲、鋼絲繩、鋼管、有色棒材及線(xiàn)材、有色帶材及箔材、板材、有色管材等9大類(lèi)型材的尺寸規(guī)格、工藝性能、腐蝕性能、力學(xué)性能、允許偏差等數(shù)據(jù)；國(guó)內(nèi)外常用材料牌號(hào)對(duì)照則主要包括鋼材（500余種鋼材）及有色金屬材料的中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、前蘇聯(lián)、日本、法國(guó)、英國(guó)、臺(tái)灣等地區(qū)的材料牌號(hào)及之間的對(duì)照關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)同一種材料在多個(gè)國(guó)家之間的正查、反查功能，該部分內(nèi)容能夠充分滿(mǎn)足從事加工生產(chǎn)及材料貿(mào)易的用戶(hù)對(duì)材料牌號(hào)對(duì)照關(guān)系的要求。

工程材料數(shù)據(jù)庫(kù)為用戶(hù)提供了豐富的數(shù)據(jù)資源和便捷的查詢(xún)方式，設(shè)計(jì)人員可以快速查詢(xún)需要的材料特性及相關(guān)信息，從而節(jié)省大量翻閱手冊(cè)的時(shí)間，工程材料數(shù)據(jù)庫(kù)中一些由科研人員提供的材料數(shù)據(jù)信息，這不僅僅是節(jié)省設(shè)計(jì)人員查詢(xún)時(shí)間的問(wèn)題，這些數(shù)據(jù)對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)企業(yè)，具有極大的價(jià)值。

4.3 材料數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展的幾點(diǎn)建議

4.3.1 利用高通量多尺度的材料理論計(jì)算豐富數(shù)據(jù)內(nèi)容

目前計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫(kù)種類(lèi)數(shù)量較少，數(shù)據(jù)內(nèi)容非常不全面，以前的材料數(shù)據(jù)主要集中在分子、晶體等層面。將來(lái)可以通過(guò)開(kāi)發(fā)各種材料數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)搜索及利用云計(jì)算資源，極大的豐富數(shù)據(jù)內(nèi)容。首先，從材料結(jié)構(gòu)的維度上能有大量的補(bǔ)充，從零維的各種團(tuán)簇結(jié)構(gòu)（現(xiàn)有的金，銅團(tuán)簇?cái)U(kuò)展到元素周期表中其他各種元素的團(tuán)簇），一維的各種納米管結(jié)構(gòu)（現(xiàn)有的石墨烯，氮化硼等其他各種不同組分的納米管）、二維層狀結(jié)構(gòu)（石墨烯，硅烯，氮化硼等到其他各種組分的平面結(jié)構(gòu)）到三維的晶體結(jié)構(gòu)。其次，除了各種完美的結(jié)構(gòu)，通過(guò)云計(jì)算進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)，各種不同比例的摻雜體系將在計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫(kù)里面大大的補(bǔ)全。再次，基于目前材料數(shù)據(jù)庫(kù)里面的數(shù)據(jù)都是一些靜態(tài)數(shù)據(jù)，然而對(duì)于一些動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)卻知之甚少，如相變過(guò)程、過(guò)渡態(tài)搜索及化學(xué)反應(yīng)過(guò)程等數(shù)據(jù)將會(huì)有大大補(bǔ)充。最后，計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容將會(huì)涵蓋不同領(lǐng)域材料，從化學(xué)領(lǐng)域，物理領(lǐng)域，生物領(lǐng)域直至整個(gè)材料領(lǐng)域。

4.3.2 利用先進(jìn)的信息技術(shù)完善材料數(shù)據(jù)庫(kù)的功能

基于目前計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫(kù)功能較單一，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，材料數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的功能性也將日臻完善。功能由單一走向多元化。這主要體現(xiàn)在搜索結(jié)果，輸出結(jié)果和功能性等方面。在搜索結(jié)果方面，不僅可以做到根據(jù)材料組分進(jìn)行搜索，也可以根據(jù)材料的特性進(jìn)行專(zhuān)業(yè)性的搜索。在輸出結(jié)果上，不但能像普通數(shù)據(jù)庫(kù)那樣對(duì)定量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并輸出，而且還能根據(jù)用戶(hù)需求以圖、表、數(shù)字、曲線(xiàn)等多種方式輸出。在功能性方面，更加多樣化。材料數(shù)據(jù)庫(kù)不再僅僅是作為一本電子材料手冊(cè)來(lái)使用，而且還要為實(shí)際應(yīng)用如工程設(shè)計(jì)、選材、材料分析等提供服務(wù)。

4.3.3 材料數(shù)據(jù)庫(kù)的智能化

在系統(tǒng)性方面，計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫(kù)的建立將更加系統(tǒng)化。材料總是作為一個(gè)系統(tǒng)而存在的，在使用材料的過(guò)程中，環(huán)境不同，材料所表現(xiàn)的性能也會(huì)發(fā)生變化（比如不同壓強(qiáng)，不同濕度，不同溫度下材料的性質(zhì)將發(fā)生變化），從而使得材料數(shù)據(jù)庫(kù)的建立也必須進(jìn)行系統(tǒng)化的綜合考慮。材料數(shù)據(jù)庫(kù)將會(huì)向更加系統(tǒng)性、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、現(xiàn)代化、商業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。

4.3.4 利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完善材料數(shù)據(jù)庫(kù)的共享

基于目前計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫(kù)地域性較強(qiáng)，隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫(kù)將朝著資源共享的方向發(fā)展。將做到隨時(shí)隨地都能夠有效的進(jìn)行數(shù)據(jù)搜索。同時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步完善及材料數(shù)據(jù)庫(kù)的進(jìn)一步完善，計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫(kù)的管理方式也提出了新的要求，數(shù)據(jù)庫(kù)的管理將朝著系統(tǒng)性，智能型等方向發(fā)展才能有效的將各自分散的數(shù)據(jù)庫(kù)整合及統(tǒng)一管理。從而減少各個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)之間的重復(fù)及對(duì)資源的浪費(fèi)。同時(shí)，材料數(shù)據(jù)庫(kù)管理也需要有自我檢測(cè)及修復(fù)的功能。改進(jìn)的數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)和綜合管理團(tuán)隊(duì)使設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工程和制造業(yè)相互交叉，互相影響，縮短從新材料的發(fā)現(xiàn)到投入市場(chǎng)的周期將是增強(qiáng)國(guó)內(nèi)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力、保持經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)的一個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。更多的將計(jì)算和信息技術(shù)與表征和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合——用數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)模擬代替耗時(shí)且昂貴的實(shí)證研究，大幅度加快材料部署的時(shí)間、增加材料部署的數(shù)量。

公共材料數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)勢(shì)將讓人難以拒絕?？梢栽囅胍幌滤軌驇?lái)的好處：有彈性延展性，能常規(guī)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，可結(jié)合移動(dòng)平臺(tái)，按照使用次數(shù)計(jì)費(fèi)，提高效率，降低資本成本，以及獲得分布廣泛的結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

5 材料設(shè)計(jì)的應(yīng)用和社會(huì)影響

5.1 新型能源材料的設(shè)計(jì)與模擬

5.1.1 鋰離子電池材料的設(shè)計(jì)與模擬

（1）鋰離子電池起源

鋰離子電池始于1972年，由Armand教授提出利用嵌入化合物（Li intercalation compounds）代替鋰金屬作為負(fù)極材料[5]。在充放電過(guò)程中，鋰離子來(lái)回穿梭于正極與負(fù)極之間，因此，鋰離子電池也被形象的稱(chēng)為“搖椅式電池”（Rocking-Chair Batteries）[6]。電極材料的探索是發(fā)展鋰離子電池的關(guān)鍵，圖1為自1980年鋰離子電池發(fā)展初期以來(lái)具有代表性意義的幾種電極材料。其中，由索尼公司在1989年提出的以石油焦作負(fù)極、鈷酸鋰（LiCoO2）作為鋰源正極、六氟磷酸鋰（LiPF6）與乙烯碳酸酯（EC）作為電解液的可循環(huán)充放電鋰離子電池的問(wèn)世，隨后在1991年實(shí)現(xiàn)的商業(yè)化生產(chǎn)也標(biāo)志著新型鋰離子電池時(shí)代的到來(lái)[7]。

圖5.1 電極材料研究進(jìn)展及其電化學(xué)性質(zhì)

（2）鋰離子電池材料設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

鋰離子電池作為新型清潔儲(chǔ)能設(shè)備，雖早已被大眾所熟知并得到廣泛的應(yīng)用，但是，由于目前實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段，如X射線(xiàn)斷層掃描（X-CT）、高分辨透射電鏡以及飛秒技術(shù)等對(duì)原子尺度上三維立體結(jié)構(gòu)測(cè)量的誤差，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映信息的片面性、不確定性等缺陷，鋰離子電池的許多基本問(wèn)題都尚未解決，如電極材料充放電過(guò)程中結(jié)構(gòu)的演變、鋰離子在電極材料中的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)特性、固體電解液界面的形成及生長(zhǎng)機(jī)制以及空間電荷層分布等[8]。因此，我們期望借助理論模擬手段，更清楚地了解處于平衡態(tài)與非平衡態(tài)的鋰離子電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律及物理化學(xué)特性，從微觀上揭示鋰離子電池在電化學(xué)過(guò)程中由結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改變帶來(lái)的化學(xué)反應(yīng)、質(zhì)量轉(zhuǎn)移、以及電荷轉(zhuǎn)移等過(guò)程，為新型電極材料的開(kāi)發(fā)及電池電化學(xué)性能的控制及改善提供理論依據(jù)。其中，基于量子力學(xué)的第一性原理方法通過(guò)求解薛定諤方程，不采用任何經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，只采用電子質(zhì)量、質(zhì)子質(zhì)量、普朗克常數(shù)、光速、元電荷五個(gè)基本的物理量對(duì)微觀體系的總能量、電子結(jié)構(gòu)等物理性質(zhì)進(jìn)行研究，其計(jì)算的可靠性已在各個(gè)材料領(lǐng)域的研究中得到證實(shí)，因此，也成為了當(dāng)前理論研究鋰離子電池電化學(xué)機(jī)制的主要手段。

（3）鋰離子電池材料的設(shè)計(jì)趨勢(shì)與未來(lái)

第一性原理計(jì)算結(jié)果雖可以作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，深入理解材料的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，同時(shí)也可對(duì)新型材料進(jìn)行設(shè)計(jì)及性質(zhì)預(yù)測(cè)。然而由于其計(jì)算量較為龐大，且不能夠反映出電池在電化學(xué)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性。因此，基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算與分子動(dòng)力學(xué)、蒙特卡羅等方法的結(jié)合也是近幾年乃至未來(lái)幾十年內(nèi)理論設(shè)計(jì)及預(yù)測(cè)新型鋰離子電池材料的主要發(fā)展方向。其中，密度泛函計(jì)算能從電子結(jié)構(gòu)角度對(duì)鋰離子電池電極材料的結(jié)構(gòu)、鋰離子擴(kuò)散、電導(dǎo)率以及力學(xué)性質(zhì)等特征進(jìn)行分析，而分子動(dòng)力學(xué)與蒙特卡羅模擬等方法則能夠從原子尺度上探討體系的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。另外還值得注意的是，以上方法所關(guān)注的是納米尺度以及皮秒量級(jí)下的電化學(xué)過(guò)程。而未來(lái)對(duì)于更大尺寸及更長(zhǎng)時(shí)間下的電極材料特性的研究則可能需要采用到介觀尺度甚至宏觀尺度的模擬方法，例如相場(chǎng)方法，分子力場(chǎng)方法、有限元方法以及有限差分方法等；例如，相場(chǎng)方法可用來(lái)處理納米和微米尺度的結(jié)構(gòu)演化，由此可模擬出電極材料的晶粒大小及尺寸，這對(duì)于解釋電極材料在充放電過(guò)程中的體積變化、固體電解液界面膜的生成及演變等現(xiàn)象將有著極大的幫助。此外，在宏觀尺度上，體系的運(yùn)動(dòng)力學(xué)遵循牛頓力學(xué)方程，熱運(yùn)動(dòng)滿(mǎn)足宏觀的擴(kuò)散方程，我們期望通過(guò)諸如有限元等方法來(lái)研究鋰離子電池中的熱流分布、應(yīng)力分布等現(xiàn)象。綜上來(lái)看，介觀與宏觀尺度的材料模擬未來(lái)的主要任務(wù)將集中在對(duì)鋰離子電池工程領(lǐng)域問(wèn)題的探討，例如，幫助我們理解鋰離子電池中出現(xiàn)的傳熱、應(yīng)力以及多場(chǎng)耦合等宏觀現(xiàn)象。

目前，我們利用理論計(jì)算方法的主要目的還是對(duì)現(xiàn)有材料的性質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證和提出改善的方案，而對(duì)于開(kāi)發(fā)新型電極材料，仍難以根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果對(duì)材料是否具有良好的應(yīng)用前景作出判斷，這主要還是歸因于當(dāng)前對(duì)于如何尋找新型電極材料沒(méi)有提出明確的方案要求。就此，為了加快新型鋰離子電池電極材料的開(kāi)發(fā)速度，美國(guó)麻省理工大學(xué)的Ceder教授提出采用高通量計(jì)算的方法來(lái)對(duì)電極材料進(jìn)行篩選，并負(fù)責(zé)實(shí)施了材料基因組計(jì)劃（Material Genome）。通過(guò)采取高通量計(jì)算，可由摻雜、替代等手段，在現(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上，對(duì)新材料進(jìn)行設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)。隨著材料基因組計(jì)劃的逐步進(jìn)行，預(yù)計(jì)在未來(lái)的十到二十年內(nèi)，將不僅局限于高通量計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)新材料，也將借由實(shí)驗(yàn)中高通量測(cè)試對(duì)新體系進(jìn)行驗(yàn)證及優(yōu)化，并通過(guò)大數(shù)據(jù)分析獲得材料的規(guī)律及特性，以此來(lái)加快新型電極材料的開(kāi)發(fā)速度。需要指出的是，有效的高通量方法，并不意味著漫無(wú)目標(biāo)的撒網(wǎng)捕魚(yú)，需要對(duì)鋰離子電池性能及制備需求有著全面了解。根據(jù)目前鋰離子電池的研究現(xiàn)狀，并且展望其發(fā)展趨勢(shì)，我們有望通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算相結(jié)合的方法，在未來(lái)的幾十年內(nèi)解決鋰離子電池研究中的以下幾個(gè)重點(diǎn)及關(guān)鍵性問(wèn)題：

（1）電極材料在電化學(xué)過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演變機(jī)制，分析不同嵌鋰相的產(chǎn)生對(duì)電極穩(wěn)定性、循環(huán)充放電等性能的影響。

（2）理解鋰離子電池中的復(fù)雜過(guò)程，如固體電解液界面膜的生長(zhǎng)、鋰離子在電解液當(dāng)中的傳導(dǎo)機(jī)制以及電極與電解液界面特性等問(wèn)題。

（3）尋找新型電極及電解液材料，制備出更高性能且具有良好安全性的鋰離子電池。

（4）通過(guò)高通量理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，探索電極電位與結(jié)構(gòu)間的本質(zhì)聯(lián)系，為最終控制及制備出能滿(mǎn)足不同電位需求的電池材料。

5.1.2 光電材料的設(shè)計(jì)與模擬

（1）光電材料的分類(lèi)和特點(diǎn)

光電轉(zhuǎn)換包含兩個(gè)方面：一是將光能轉(zhuǎn)換為電能，主要利用在太陽(yáng)能電池，污染治理等，另一個(gè)方面則相反，將電能轉(zhuǎn)換為發(fā)光，主要利用于照明以及顯示設(shè)備，如電腦手機(jī)屏幕等。完整的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程通常需要一定的裝置實(shí)現(xiàn)，例如太陽(yáng)能電池，發(fā)光器件等。這些器件裝置包含多部分，除了直接的光電轉(zhuǎn)換部分外，還包括空穴、電子傳輸材料、電極材料等。

目前，新型光電轉(zhuǎn)化材料設(shè)計(jì)方法主要以量子化學(xué)計(jì)算方法為主。借助于理論計(jì)算了解光電轉(zhuǎn)化材料電子結(jié)構(gòu)、能帶信息以及光電轉(zhuǎn)化影響因素。利用這一方法已成功地研究了元素?fù)诫s、取代對(duì)光電轉(zhuǎn)化材料性能影響的物理機(jī)制，并由此設(shè)計(jì)出一批新型光電轉(zhuǎn)化材料。例如，在二氧化鈦中加入N，C，Pt等元素?fù)诫s以及研究缺陷對(duì)其電子結(jié)構(gòu)的影響；CuInxGa（1-x）Se2（CIGS），就是通過(guò)摻入適量Ga替代部分In，可以使半導(dǎo)體禁帶能隙在1.0～1.6eV之間可調(diào)[9]。多數(shù)太陽(yáng)能電池染料敏化劑，空穴傳輸材料皆為有機(jī)分子。同樣可以通過(guò)密度泛函計(jì)算分子前線(xiàn)軌道與半導(dǎo)體的關(guān)系判斷其功效，通過(guò)官能團(tuán)取代等調(diào)節(jié)其性能。最近十年，借助理論計(jì)算，光電轉(zhuǎn)化材料種類(lèi)得到了極大的豐富。

有機(jī)分子與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體或者空穴傳輸層與光電轉(zhuǎn)換部分接觸界面間的性質(zhì)，通常由含時(shí)密度泛函（TD-DFT）方法研究，描述體系的激發(fā)態(tài)電子結(jié)構(gòu)以及電子遷移行為。而裝置整體的效率，則可以通過(guò)數(shù)值模擬的方法計(jì)算例如太陽(yáng)輻射通量和太陽(yáng)能設(shè)備的散熱損失等。

（2） 光電材料的設(shè)計(jì)與模擬現(xiàn)狀

高效光電轉(zhuǎn)化計(jì)算研究依然存在部分問(wèn)題，現(xiàn)在的研究正致力于解決這些問(wèn)題。目前理論計(jì)算體系依然十分有限，例如，對(duì)于密度泛函理論，通常的研究體系約為幾十至幾百個(gè)原子大小，這樣的大小對(duì)于光電轉(zhuǎn)換體系非常有限，常用的空穴傳輸材料Spiro-OMeTAD分子式為C81H68N4O8，一個(gè)分子已經(jīng)達(dá)到161個(gè)原子，計(jì)算中使用單個(gè)分子在數(shù)層晶體表面的吸附模型，就忽略了分子間的相互作用，這種大小已經(jīng)接近或者達(dá)到目前計(jì)算的極限，由于計(jì)算的原子數(shù)目與計(jì)算時(shí)間是指數(shù)關(guān)系，繼續(xù)增大體系已經(jīng)非常困難。事實(shí)上，得益于計(jì)算機(jī)能力提升，最近十幾年的計(jì)算科學(xué)已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。按照摩爾定律，未來(lái)三十年計(jì)算機(jī)能力大約可以翻二十番左右，但是隨著晶體管工藝接近物理極限，計(jì)算增長(zhǎng)能力將會(huì)放緩，即使依然按照目前的速度發(fā)展，由于計(jì)算的原子數(shù)目與計(jì)算時(shí)間是指數(shù)關(guān)系，體系的放大倍數(shù)也是有限的。因此，目前發(fā)展計(jì)算量小并保持準(zhǔn)確性的算法就顯得非常重要，如處理大體系的線(xiàn)性標(biāo)度電子結(jié)構(gòu)方法，這也是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向[10]?？梢灶A(yù)期，當(dāng)先進(jìn)的計(jì)算方法開(kāi)發(fā)后，人們可以計(jì)算多個(gè)分子甚至是高分子聚合物以不同形態(tài)在表面吸附，判斷其電子性質(zhì)，甚至是多種分子混合協(xié)同效應(yīng)。

（3）光電材料設(shè)計(jì)與模擬的發(fā)展方向

目前的計(jì)算方法還存在一些誤差，例如密度泛函方法對(duì)半導(dǎo)體帶隙計(jì)算的低估。由于誤差的存在，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果需要與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，并且在計(jì)算時(shí)需要選擇不同的泛函，而選擇的過(guò)程需要人為經(jīng)驗(yàn)判斷。現(xiàn)在各種更加精確地校正方法都在蓬勃發(fā)展，例如原子間的弱相互作用范德華力校正，重原子相對(duì)論效應(yīng)等。當(dāng)未來(lái)理論計(jì)算消除誤差和人為經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可以領(lǐng)先于實(shí)驗(yàn)預(yù)判材料的性能，從而指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。

光電轉(zhuǎn)化體系涉及多相表面、界面的作用行為，光電體系工作過(guò)程涉及激發(fā)態(tài)電子動(dòng)力學(xué)行為，現(xiàn)在已經(jīng)用于計(jì)算激發(fā)態(tài)性質(zhì)的方法如含時(shí)密度泛函理論，依然處于發(fā)展階段，計(jì)算激發(fā)態(tài)時(shí)依然使用基態(tài)計(jì)算的泛函會(huì)產(chǎn)生誤差，需要進(jìn)一步提高精度，需要開(kāi)發(fā)適用于激發(fā)態(tài)的基組以及泛函。未來(lái)的三十年間，發(fā)展出可以計(jì)算多電子激發(fā)態(tài)，多態(tài)數(shù)計(jì)算方法，例如當(dāng)某種界面或者分子吸附體系受到光照或者外加電勢(shì)差影響的情況下，電子傳遞轉(zhuǎn)移過(guò)程以及速率，這也是未來(lái)計(jì)算將會(huì)考慮的問(wèn)題。

除此之外，計(jì)算方法將會(huì)更加貼近實(shí)際情況，考慮環(huán)境因素對(duì)性能的影響，甚至能夠判斷材料制備過(guò)程中環(huán)境因素控制。量子化學(xué)級(jí)別計(jì)算，通常計(jì)算材料在真空中的性質(zhì)，部分計(jì)算考慮溶劑效應(yīng)，依然無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求，未來(lái)的計(jì)算可以預(yù)測(cè)周?chē)h(huán)境影響，考慮材料在空氣或者溶劑中的性質(zhì)，以及溫度對(duì)其性質(zhì)的影響。目前通過(guò)元胞自動(dòng)機(jī)、蒙特卡洛等方法可以計(jì)算模擬晶體生長(zhǎng)。

最后，由于光電體系通常是由多種材料構(gòu)成的復(fù)雜裝置，目前的計(jì)算方法基本處于一種“各自為戰(zhàn)”的狀態(tài)，例如蒙特卡洛等方法可以計(jì)算模擬晶體生長(zhǎng)，但是對(duì)于不同形貌電子性質(zhì)的差異卻無(wú)法計(jì)算。未來(lái)光電計(jì)算研究，除了各個(gè)方法更精細(xì)更深入的發(fā)展，還要求方法之間的橫向連接。2008年，哈佛大學(xué)啟動(dòng)的哈佛清潔能源項(xiàng)目（Harvard Clean Energy Project）不僅通過(guò)結(jié)合傳統(tǒng)的建模方法和現(xiàn)代藥物開(kāi)發(fā)的策略，還利用了機(jī)器學(xué)習(xí)、圖形識(shí)別和化學(xué)信息學(xué)技術(shù)，此外，該計(jì)劃還利用了IBM世界公共網(wǎng)格（WCG）提供的志愿計(jì)算機(jī)用來(lái)篩選材料分子，可以看做是發(fā)展方向的例子。未來(lái)光電計(jì)算首先通過(guò)高通量篩選出備用分子結(jié)構(gòu)骨架，然后利用元素或者官能團(tuán)替換摻雜對(duì)化合物性能微調(diào)，分析化合物生長(zhǎng)過(guò)程中容易形成的缺陷以及晶體形貌，甚至可以提供合成時(shí)所需的原料配比、反應(yīng)時(shí)間等條件。最后，構(gòu)建多種材料界面，計(jì)算電子在環(huán)境中的行為，模擬電流電壓與光照頻率強(qiáng)度之間的關(guān)系，同時(shí)模擬裝置在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)結(jié)構(gòu)性能的變化。

5.2 新型信息材料的設(shè)計(jì)

5.2.1 新型信息存儲(chǔ)材料

隨著人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入信息化時(shí)代，信息成為構(gòu)成人類(lèi)社會(huì)的重要部分。信息的載體--信息材料，在很大程度上決定了信息的存儲(chǔ)形態(tài)、傳播方式以及傳遞速度等等。信息材料對(duì)外界環(huán)境具有相當(dāng)?shù)拿舾行?，比如，在不同的外界條件下（力、熱、光、電、磁、聲以及化學(xué)和生物等），信息材料的物理和化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而產(chǎn)生穩(wěn)定的、可探測(cè)信號(hào)。與信息的收集、存儲(chǔ)、處理、傳遞以及顯示等過(guò)程相對(duì)應(yīng)，信息材料分為：收集材料、存儲(chǔ)材料、處理材料、傳遞材料以及顯示材料等。

在眾多的信息材料中，存儲(chǔ)材料占據(jù)非常重要的位置，是本章內(nèi)容關(guān)注的重點(diǎn)。計(jì)算機(jī)在20世紀(jì)的迅速發(fā)展，使得人們需處理和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)海量增加，對(duì)存儲(chǔ)材料的要求也越來(lái)越高。到目前為止，存儲(chǔ)材料歷經(jīng)打孔紙帶、穿孔紙帶、盤(pán)式磁帶、盒式磁帶、磁鼓、軟盤(pán)和硬盤(pán)等發(fā)展階段。每一階段的發(fā)展都是存儲(chǔ)介質(zhì)小型化、高密度存儲(chǔ)以及存儲(chǔ)方式多樣化等方面的巨大進(jìn)步。硬盤(pán)是目前最主要的存儲(chǔ)材料，依據(jù)存儲(chǔ)方式的不同分為：磁存儲(chǔ)（包含金屬磁粉、鋇鐵氧體磁粉等）、半導(dǎo)體存儲(chǔ)（以硅基材料為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料）以及光存儲(chǔ)（包含磁光記錄以及相變光記錄等）。

在不同類(lèi)型存儲(chǔ)材料的探尋中，實(shí)驗(yàn)工作者進(jìn)行了繁雜的工作，每種存儲(chǔ)材料的背后都是一系列昂貴的實(shí)驗(yàn)投入。且隨著器件的小型化，以及單位面積、單位體積信息存儲(chǔ)密度的增加，量子尺寸效應(yīng)越來(lái)越明顯并且直接決定了材料的最終性能。這一方面加大了實(shí)驗(yàn)的難度，極大地增加了實(shí)驗(yàn)投入。另一方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性也將難以保證，原子尺度上的實(shí)驗(yàn)操控難實(shí)現(xiàn)，且尺寸效應(yīng)導(dǎo)致了結(jié)果的不確定性。

5.2.2 信息材料的原子尺度的模擬

基于以上原因，在原子尺度上對(duì)存儲(chǔ)材料進(jìn)行更加細(xì)致的探究，總結(jié)一般性規(guī)律，是存儲(chǔ)材料進(jìn)一步發(fā)展必要條件。在這些方面，計(jì)算科學(xué)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。目前適用于不同尺度的模擬方法已經(jīng)建立起來(lái)，比如：原子尺度上探究材料物性的第一性原理方法、分子動(dòng)力學(xué)方法以及量子蒙特卡羅方法。在該層次上，量子力學(xué)效應(yīng)顯著，材料將呈現(xiàn)出獨(dú)特的力、熱、光、電、磁等特性。通過(guò)在原子尺度上對(duì)材料物性進(jìn)行歸納、篩選，得出一般性規(guī)律，對(duì)存儲(chǔ)材料小型化的發(fā)展具有很大的指導(dǎo)意義。當(dāng)材料將進(jìn)入納米量級(jí)后，所包含原子數(shù)的增加，一方面使材料的特性向塊體演化，另一方面也將引入更加復(fù)雜多體效應(yīng)。在納米尺寸下，受計(jì)算量的限制，第一性原理相關(guān)的計(jì)算方法不再適用。此時(shí)，基于經(jīng)驗(yàn)勢(shì)的分子動(dòng)力學(xué)方法、分子場(chǎng)理論將會(huì)發(fā)揮非常重要的作用。當(dāng)材料進(jìn)入微米量級(jí)后，工程物理上的模型方法將具有更大的適用性。

從以上可以看出，計(jì)算科學(xué)的迅速發(fā)展將為新型存儲(chǔ)材料出現(xiàn)與性質(zhì)表征提供了強(qiáng)有力的工具。并且，在一定程度上，計(jì)算科學(xué)將有助于探尋實(shí)驗(yàn)科學(xué)無(wú)法觸及的領(lǐng)域。比如，一些具有優(yōu)良特性的存儲(chǔ)材料，目前實(shí)驗(yàn)上仍然很難合成或合成成本非常高；一些材料所包含的化學(xué)元素具有強(qiáng)烈的毒性和腐蝕性；一些物質(zhì)的存在條件非?？量?，如高溫、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)電場(chǎng)等等。此外，隨著信息材料微型化的發(fā)展，在原子尺寸上進(jìn)行信息的存儲(chǔ)與傳遞將成為信息材料發(fā)展的必然趨勢(shì)。原子尺度上的信息操控，一方面能夠極大地提高信息的存儲(chǔ)密度，使器件輕巧、易攜帶；另一方面，也極大地考驗(yàn)了信息的穩(wěn)定性。因?yàn)樵趩卧映叽缟?，零點(diǎn)振動(dòng)效應(yīng)越來(lái)越強(qiáng)，材料所攜帶信息的穩(wěn)定性也越來(lái)越難以保證。當(dāng)信息材料的可超控和存儲(chǔ)單元為幾個(gè)甚至單個(gè)原子時(shí)，如何保證信息的穩(wěn)定性，是計(jì)算科學(xué)探索和解決的另一重要問(wèn)題。其中可行的解決方案，除了探尋和設(shè)計(jì)比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)外，設(shè)計(jì)新型的存儲(chǔ)方案，也是信息材料發(fā)展的必經(jīng)途徑。

現(xiàn)今研究表明：結(jié)合磁學(xué)、微電子學(xué)基本原理的自旋電子學(xué)將在未來(lái)信息材料中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，而計(jì)算科學(xué)將在新型信息材料性能預(yù)測(cè)和機(jī)理解釋方面起到非常大的作用。在通常情況下，電荷和自旋兩個(gè)自由度是相互分離的，且在電子器件中發(fā)揮不同的作用。比如，在電子器件中，電荷是信息的基本載體，可以通過(guò)門(mén)電壓控制電流的通斷，進(jìn)而達(dá)到信息存儲(chǔ)與傳遞的目的。在自旋自由度的使用上，主要利用電子自旋間的協(xié)同效應(yīng)，即電子自旋之間相互關(guān)聯(lián)形成磁疇，通過(guò)控制磁疇的不同狀態(tài)實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)。隨著材料微型化的發(fā)展，傳統(tǒng)的信息存儲(chǔ)與傳遞方式的弊端逐漸凸顯出來(lái)，而結(jié)合電荷和自旋兩個(gè)自由度新型信息材料將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

5.2.3 信息材料設(shè)計(jì)的發(fā)展方向

新型信息材料的未來(lái)發(fā)展需要解決兩個(gè)方面的問(wèn)題：新材料的探尋；新型信息材料中不同耦合方式和相關(guān)機(jī)理的深入探究。在新型功能材料的探尋方面，納米技術(shù)進(jìn)步以及計(jì)算科學(xué)的發(fā)展在發(fā)揮非常重要的作用。一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子為自旋閥，即通過(guò)非磁性通道連接兩個(gè)鐵磁性的電極，通過(guò)電荷在兩個(gè)電極之間的傳輸實(shí)現(xiàn)自旋的輸運(yùn)；而磁阻的大小則通過(guò)調(diào)控兩端電極的自旋取向來(lái)控制。不同自旋態(tài)的分離和傳遞，為信息的存儲(chǔ)和傳遞提供了更多地自由度。計(jì)算科學(xué)將在自旋器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化中發(fā)揮更大的作用。比如：在自旋閥中，兩端電極的磁性耦合狀態(tài)決定了體系磁阻的大小，以此決定了信息的存儲(chǔ)形式。在電極材料中，兩端電極的磁性及其耦合狀態(tài)決定了器件的性能。通過(guò)磁性計(jì)算對(duì)材料進(jìn)行預(yù)篩選，將大大縮短自旋器件的設(shè)計(jì)流程。發(fā)展比較精確的磁性計(jì)算方法，是未來(lái)信息材料計(jì)算的一個(gè)重要方向。

目前基于贗勢(shì)的第一性原理計(jì)算方法還不能準(zhǔn)確的給出材料的磁基態(tài)和不同磁性間的耦合狀態(tài)；而基于全電子勢(shì)的計(jì)算方法，雖然在一定程度上能夠準(zhǔn)確地得出材料的磁基態(tài)，但受到計(jì)算量的限制，只適用于較小體系。對(duì)于比較大的體系，比如：自旋閥中的兩端電極，以及磁性耦合比較復(fù)雜的體系，該方法并不適用。在第一性原理計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合模型哈密頓量方法計(jì)算體系的磁基態(tài)以及不同體系的磁耦合狀態(tài)，是材料計(jì)算一個(gè)重要的發(fā)展方向。

此外，用于材料磁性計(jì)算的密度泛函方法只適用于零溫情形。實(shí)際的信息材料都處在一定的溫度場(chǎng)內(nèi)，且在實(shí)際應(yīng)用中，器件發(fā)熱使得材料所在處的溫度比較高，此時(shí)材料的磁基態(tài)與零溫情形具有很大的差別。在具體計(jì)算中，如何進(jìn)一步考慮溫度效應(yīng)，并準(zhǔn)確得出材料在不同溫度下的磁基態(tài)與磁耦合狀態(tài)，以及不同磁耦合狀態(tài)對(duì)溫度的響應(yīng)等，是計(jì)算科學(xué)進(jìn)一步發(fā)展的另一個(gè)方向。

通過(guò)電荷的傳輸實(shí)現(xiàn)自旋態(tài)的輸運(yùn)，是自旋電子器件的基本物理思想。在此，一個(gè)重要的問(wèn)題是輸運(yùn)過(guò)程中自旋態(tài)的保持。這就要求傳導(dǎo)材料中的自旋軌道耦合效應(yīng)較弱，且具有較高的載流子遷移率。因此在材料的探尋中，除了需要準(zhǔn)確地得出電子結(jié)構(gòu)，周?chē)h(huán)境、缺陷對(duì)材料電子結(jié)構(gòu)的影響，還要能夠比較精確的得出材料中自旋軌道耦合。目前的雜化泛函等計(jì)算方法，雖然能在一定程度給出材料的電子結(jié)構(gòu)，但是，計(jì)算過(guò)程涉及的計(jì)算量非常大，尤其當(dāng)考慮自旋軌道耦合效應(yīng)時(shí)，所牽涉的計(jì)算量并不是一般的研究小組所能承受的。不但如此，雜化泛函等相關(guān)方法缺乏嚴(yán)格的理論論證，是一種經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算方法。因材，在未來(lái)信息材料計(jì)算中，需要發(fā)展有效的，能夠精確得出材料電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，該計(jì)算方法能夠兼顧計(jì)算精度和計(jì)算量?jī)蓚€(gè)方面，且能夠精確地得出自旋軌道耦合效應(yīng)。

在上述計(jì)算的基礎(chǔ)上，自旋輸運(yùn)理論的發(fā)展和完善是計(jì)算信息材料未來(lái)發(fā)展的另一方面。未來(lái)信息材料以電子的自旋為信息的載體，通過(guò)自旋態(tài)間的關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)與傳輸。當(dāng)今的輸運(yùn)理論隨在一定程度上模擬器件中電子的輸運(yùn)過(guò)程。但總體說(shuō)來(lái)，仍然不能很好的得出電子自旋態(tài)的傳遞過(guò)程。因此，進(jìn)一步發(fā)展自旋輸運(yùn)理論，使其能夠比較精確的描述未來(lái)信息材料中自旋態(tài)間的關(guān)聯(lián)和傳導(dǎo)過(guò)程，也是計(jì)算信息材料未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方面。

5.3 智能的材料設(shè)計(jì)與模擬方法

5.3.1 常見(jiàn)的智能材料設(shè)計(jì)方法

智能材料計(jì)算的主要方法有遺傳算法、免疫算法、模擬退火、演化程序、局部搜索、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等。遺傳算法最早由美國(guó)的J.Holland教授于1975年提出，它主要是借鑒生物界的進(jìn)化規(guī)律（優(yōu)勝劣汰，適者生存的機(jī)制）演化而來(lái)的隨機(jī)化計(jì)算方法。它的特點(diǎn)是直接對(duì)結(jié)構(gòu)對(duì)象進(jìn)行操作，沒(méi)有求導(dǎo)和函數(shù)連續(xù)性的限定，具有較好的并行性和全局尋優(yōu)能力，能夠自動(dòng)獲取和指導(dǎo)優(yōu)化的搜索空間，自適應(yīng)地調(diào)整搜索方向，而且不需要確定的規(guī)則。遺傳算法的這些優(yōu)異特性，奠定了它在現(xiàn)代智能計(jì)算中關(guān)鍵技術(shù)的地位，它已被廣泛地應(yīng)用于新材料搜索、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)、組合優(yōu)化、信號(hào)處理、自適應(yīng)控制和人工智能等領(lǐng)域。遺傳算法屬于進(jìn)化算法的一種，其基本運(yùn)算過(guò)程主要包括初始化、個(gè)體評(píng)價(jià)、選擇運(yùn)算、交叉運(yùn)算、變異運(yùn)算、終止條件判斷、計(jì)算終止等過(guò)程。進(jìn)化算法是借鑒了生物進(jìn)化過(guò)程中的一些現(xiàn)象而發(fā)展起來(lái)的，這些現(xiàn)象包括遺傳、突變、自然選擇以及雜交等。

（1）遺傳算法

遺傳算法是隨機(jī)地、沒(méi)有指導(dǎo)地迭代搜索，為個(gè)體提供了進(jìn)化機(jī)會(huì)的同時(shí)，也不可避免地產(chǎn)生了退化的可能。而且，遺傳算法的交叉和變異算子相對(duì)固定，在求解具體問(wèn)題時(shí)，可變的靈活程度較小。這導(dǎo)致在求解一些復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，有可能收斂于局部最優(yōu)，而不能達(dá)到理想的全局最優(yōu)。實(shí)踐表明，僅僅使用遺傳算法或者以其為代表的進(jìn)化算法，在模仿智能計(jì)算處理事物的能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還必須更加深層次地挖掘與利用智能計(jì)算方法。學(xué)習(xí)生物智能、開(kāi)發(fā)和改進(jìn)利用生物智能是進(jìn)化算法是智能計(jì)算應(yīng)用的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在生命科學(xué)領(lǐng)域，免疫與遺傳一樣受到了人們的廣泛關(guān)注和深入研究。所以，人們將生命科學(xué)中的免疫概念引入到智能計(jì)算領(lǐng)域，借助免疫概念和理論并將其與已有的智能算法有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，在保留原算法優(yōu)良特性的前提下，有目的有選擇地利用待求問(wèn)題體系中的一些特征信息或知識(shí)來(lái)抑制其優(yōu)化過(guò)程中出現(xiàn)的退化現(xiàn)象，這種算法稱(chēng)為免疫算法。大部分的計(jì)算結(jié)果表明免疫算法是有效的而且也是可行的，它較好地解決了遺傳算法中的退化問(wèn)題，從而較好的保證智能計(jì)算過(guò)程中的全局收斂性問(wèn)題。

（2）模擬退火算法

模擬退火算法[11]的基本思想來(lái)源于固體退火原理，首先將固體加溫至充分高，然后讓其緩慢冷卻，在初始加溫過(guò)程中，固體內(nèi)部粒子隨溫升變?yōu)闊o(wú)序狀，內(nèi)能增大，而在緩慢冷卻的過(guò)程中，粒子漸趨有序，在每個(gè)溫度都達(dá)到平衡態(tài)，最后在常溫時(shí)達(dá)到基態(tài)，內(nèi)能也達(dá)到最小值。模擬退火算法新解的產(chǎn)生和接受主要分為四個(gè)步驟：第一步是由一個(gè)產(chǎn)生函數(shù)從當(dāng)前解經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單地變換，如對(duì)全部或部分元素進(jìn)行置換、互換等，產(chǎn)生一個(gè)位于解空間的新解；第二步是計(jì)算與產(chǎn)生的新解與目標(biāo)函數(shù)的差值；第三步是依據(jù)是一個(gè)接受準(zhǔn)則，判斷產(chǎn)生的新解是否被接受；第四步是當(dāng)產(chǎn)生的新解被確定接受時(shí)，用新解代替當(dāng)前解，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前解的一次迭代，同時(shí)修正目標(biāo)函數(shù)值，并且在此基礎(chǔ)上開(kāi)始下一輪試驗(yàn)。而如果新解被判定為舍棄時(shí)，則在原來(lái)的當(dāng)前解基礎(chǔ)上繼續(xù)新一輪試驗(yàn)。模擬退火算法求得的解與初始解狀態(tài)（算法迭代的起點(diǎn)）無(wú)關(guān)，該算法在理論上已經(jīng)被證明是一種以概率收斂于全局最優(yōu)解的全局優(yōu)化算法，具有漸近收斂性和較好的并行性。

（3）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的基本思想是模仿人腦，是具有高度智能化和并行性的未來(lái)智能計(jì)算方法。思維學(xué)的基本觀點(diǎn)認(rèn)為，人類(lèi)大腦的思維可分為抽象思維（邏輯思維）、形象思維（直觀思維）和靈感思維（頓悟）三種最基本的方式。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要是模擬人類(lèi)思維的第二種方式，它是一個(gè)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)在于信息的分布式存儲(chǔ)和高效的并行協(xié)同處理。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量的簡(jiǎn)單的神經(jīng)元相互聯(lián)接而成的自適應(yīng)非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。盡管單個(gè)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，功能也極其有限，但是大量神經(jīng)元構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的行為卻是極其復(fù)雜和豐富多彩的。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)神經(jīng)細(xì)胞、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)系統(tǒng)等生物原型結(jié)構(gòu)及其功能機(jī)理，建立神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本概念模型、知識(shí)模型、物理化學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型等，在這些基本理論模型研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步構(gòu)建具體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成實(shí)際的信號(hào)處理或模式識(shí)別的智能系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反映了人腦功能的若干基本特性，但并非真實(shí)生物系統(tǒng)的描述，只是一種模仿、簡(jiǎn)化和抽象。

普通的電子計(jì)算機(jī)的功能取決于程序中給出的知識(shí)和能力。因此，對(duì)于智能活動(dòng)要通過(guò)總結(jié)編制程序?qū)⑹掷щy。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在構(gòu)成原理和功能等方面更加接近于人腦，它具有初步的自適應(yīng)與自組織能力，能夠自身適應(yīng)環(huán)境、總結(jié)規(guī)律、完成某種運(yùn)算、識(shí)別或者過(guò)程控制。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)具有學(xué)習(xí)能力的系統(tǒng)，可以發(fā)展知識(shí)，以致超過(guò)設(shè)計(jì)者原有的知識(shí)水平。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)學(xué)習(xí)或訓(xùn)練過(guò)程中改變突觸權(quán)重值，以適應(yīng)周?chē)h(huán)境的要求。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)若干次學(xué)習(xí)后，提高網(wǎng)絡(luò)判斷的正確率。如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出為“0”（即結(jié)果錯(cuò)誤），則把網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)重朝著減小輸入加權(quán)值的方向調(diào)整，其目的在于使網(wǎng)絡(luò)下次再遇到相同的輸入模式時(shí)，減小犯同樣錯(cuò)誤的可能性。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)按以上學(xué)習(xí)方法進(jìn)行若干次學(xué)習(xí)后，網(wǎng)絡(luò)判斷的正確率將大大提高。當(dāng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)這個(gè)模式的學(xué)習(xí)獲得了成功后，它將把這個(gè)模式分布地記憶在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)連接權(quán)值上。當(dāng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)再次遇到這個(gè)模式時(shí)，就能夠作出迅速、準(zhǔn)確的判斷和識(shí)別。一般說(shuō)來(lái)，網(wǎng)絡(luò)中所含的神經(jīng)元個(gè)數(shù)越多，則它能記憶、識(shí)別的模式也就越多。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)模仿人腦，具有并行處理特征，可以大大提高工作速度。盡管人腦神經(jīng)元之間傳遞信息的速度要遠(yuǎn)低于普通的計(jì)算機(jī)，人腦神經(jīng)元之間傳遞信息為毫秒量級(jí)，而計(jì)算機(jī)的頻率往往可達(dá)幾百兆赫。但是，由于人腦是一個(gè)大規(guī)模串行與并行組合的綜合處理系統(tǒng)，因而，在許多問(wèn)題上可以作出快速判斷、決策和處理，其速度則遠(yuǎn)高于普通計(jì)算機(jī)。而且人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息存貯在神經(jīng)元之間連接強(qiáng)度的分布上，存貯區(qū)與計(jì)算機(jī)區(qū)合為一體，即使有輕微的小錯(cuò)誤，也不會(huì)影響人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能。人腦存貯信息的特點(diǎn)為利用突觸效能的變化來(lái)調(diào)整存貯內(nèi)容，雖然人腦每日有大量神經(jīng)細(xì)胞死亡（平均每小時(shí)約一千個(gè)），但不影響大腦的正常思維活動(dòng)。而普通計(jì)算機(jī)是具有相互獨(dú)立的存貯器和運(yùn)算器，知識(shí)存貯與數(shù)據(jù)運(yùn)算互不相關(guān)，只有通過(guò)人編出的程序使之溝通，這種溝通不能超越程序編制者的預(yù)想。元器件的局部損壞及程序中的微小錯(cuò)誤都可能引起嚴(yán)重的失常。

5.3.2 智能材料模擬方法的發(fā)展方向

總的來(lái)說(shuō)，新型的智能計(jì)算方法主要基于“從大自然中獲取智慧”的理念，通過(guò)人們對(duì)自然界基本規(guī)律和獨(dú)特性質(zhì)的認(rèn)知，提取出適合獲取知識(shí)的一套新型計(jì)算方法，也就是智能仿生算法。這些智能計(jì)算方法具有以下共同的要素：自適應(yīng)的結(jié)構(gòu)、隨機(jī)產(chǎn)生的或指定的初始狀態(tài)、適應(yīng)度的評(píng)測(cè)函數(shù)、修改結(jié)構(gòu)的操作、系統(tǒng)狀態(tài)存儲(chǔ)器、終止計(jì)算的條件、指示結(jié)果的方法、控制過(guò)程的參數(shù)。這些智能計(jì)算方法具有自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)的特征和簡(jiǎn)單、通用、魯棒性強(qiáng)、適于并行處理的優(yōu)點(diǎn)。這些智能計(jì)算方法主要通過(guò)自適應(yīng)學(xué)習(xí)的特性，達(dá)到了全局優(yōu)化的目的。在并行搜索、聯(lián)想記憶、模式識(shí)別、知識(shí)自動(dòng)獲取等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

5.4 材料設(shè)計(jì)與模擬對(duì)未來(lái)社會(huì)的影響

5.4.1 材料基因工程在新材料設(shè)計(jì)中的作用

材料基因工程，是借鑒生物學(xué)上的基因工程技術(shù)，探究材料結(jié)構(gòu)（或配方、工藝）與材料性質(zhì)（性能）變化的關(guān)系。并通過(guò)調(diào)整材料的原子或配方、改變材料的堆積方式或搭配，結(jié)合不同的工藝制備，得到具有特定性能的新材料。以材料設(shè)計(jì)和模擬為基礎(chǔ)的材料基因工程已經(jīng)成為當(dāng)前材料科學(xué)中不可或缺的一部分，也已經(jīng)讓人們看到了材料基因工程的巨大作用。在材料基因工程提出之前，新材料從研發(fā)到市場(chǎng)應(yīng)用時(shí)間跨度非常長(zhǎng)，某種新材料從最初的研究開(kāi)發(fā)，經(jīng)性能優(yōu)化、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成、驗(yàn)證、制造再到投入市場(chǎng)通常需要10～20年時(shí)間。部分原因是一直以來(lái)過(guò)度依賴(lài)對(duì)材料研發(fā)的科學(xué)直覺(jué)與實(shí)驗(yàn)判斷，目前大部分材料的設(shè)計(jì)與測(cè)試是通過(guò)耗時(shí)的重復(fù)實(shí)驗(yàn)來(lái)完成的。而實(shí)際上，有些實(shí)驗(yàn)通過(guò)理論計(jì)算工具就能完成模擬。材料基因工程采用強(qiáng)大的計(jì)算分析和理論模擬工具，減少新材料研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的依賴(lài)。改進(jìn)的數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)和一體化的工程團(tuán)隊(duì)將允許設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工程與生產(chǎn)活動(dòng)的重疊與互動(dòng)。這種新的綜合設(shè)計(jì)將結(jié)合更多的計(jì)算與信息技術(shù)，加上實(shí)驗(yàn)與表征方面的進(jìn)步，將顯著加快材料投入市場(chǎng)的種類(lèi)及速度，材料的開(kāi)發(fā)周期可從目前的10～20年縮短為5～10年。

5.4.2 材料設(shè)計(jì)與模擬對(duì)2049年工業(yè)設(shè)計(jì)的影響

（1）中國(guó)工業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇

中國(guó)的工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程對(duì)材料科學(xué)提出了許多嚴(yán)峻的、亟待解決的問(wèn)題。例如，鋰鹽是制造鋰離子的電池的重要材料，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電子產(chǎn)品和新能源汽車(chē)。從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，鋰鹽的市場(chǎng)需求量就開(kāi)始不斷上揚(yáng)，同時(shí)碳酸鋰、氯化鋰、氫氧化鋰等鋰鹽的價(jià)格也不斷上漲。2015年，隨著電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量的持續(xù)增加，鋰鹽的供需矛盾更加尖銳，國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)企業(yè)對(duì)碳酸鋰等鋰鹽的報(bào)價(jià)相繼上調(diào)，單次上調(diào)幅度高達(dá)15%。從2015年初至2015年10月為止市場(chǎng)累計(jì)漲幅近30%，鋰鹽的價(jià)格創(chuàng)出近年來(lái)的新高。況且，鋰的儲(chǔ)量在地殼中僅占0.002%左右，是一種含量較少的金屬元素。因此，隨著移動(dòng)電子消費(fèi)市場(chǎng)和電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的快速發(fā)展，鋰的需求將會(huì)快速增加，鋰鹽資源枯竭和價(jià)格暴漲不可避免。其實(shí)，伴隨著我國(guó)的快速工業(yè)化進(jìn)程，幾乎所有的原材料的價(jià)格都在不斷上漲。如果不發(fā)展新型的先進(jìn)功能材料，我國(guó)的工業(yè)現(xiàn)代化將面臨資源不斷減少，原材料價(jià)格快速上漲的困境，這樣的工業(yè)化成本將是十分巨大的。

現(xiàn)代工業(yè)中，材料具有承載設(shè)計(jì)的功能、創(chuàng)建工業(yè)產(chǎn)品的個(gè)性。材料不僅奠定了工業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)也是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的標(biāo)志。材料的種類(lèi)成千上萬(wàn)，工業(yè)設(shè)計(jì)更多的就是利用新材料來(lái)更多的塑造工業(yè)產(chǎn)品的新形象。運(yùn)用新材料去設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)順應(yīng)時(shí)代的潮流的新型工業(yè)產(chǎn)品。材料的性能不但對(duì)工業(yè)產(chǎn)品造型的效果造成直接影響，而且也直接影響著工業(yè)產(chǎn)品的工藝。工業(yè)設(shè)計(jì)師可以不具備研發(fā)新材料的能力，但必須及時(shí)掌握新材料的發(fā)展動(dòng)態(tài)并且要能夠迅速地將它們運(yùn)用到工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐當(dāng)中去。

（2）材料基因工程對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)的影響

材料基因工程將開(kāi)發(fā)新的集成式計(jì)算、實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)信息學(xué)工具。這些軟件和集成工具將貫穿整個(gè)材料研發(fā)鏈，它們采用一種開(kāi)放平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以提高預(yù)測(cè)能力，并按最新標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)材料創(chuàng)新基礎(chǔ)數(shù)字化信息的整合。這一基礎(chǔ)將與現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)框架無(wú)縫結(jié)合，推動(dòng)材料工程設(shè)計(jì)向快速化、全面化發(fā)展。此外材料基因工程將建立一個(gè)大型的開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。數(shù)據(jù)共享平臺(tái)不僅能讓研究人員能夠輕松地將自己的數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型，同時(shí)還要使研究和工程人員能夠彼此整合數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)共享還將促進(jìn)處于不同材料開(kāi)發(fā)階段的科學(xué)家和工程師的跨學(xué)科交流，縮短了新材料的研發(fā)周期和研發(fā)成本。

目前我們面臨清潔能源、國(guó)家安全和人類(lèi)健康等多方面先進(jìn)材料的緊迫挑戰(zhàn)。材料基因工程可以在高性能計(jì)算機(jī)的輔助下，通過(guò)理論計(jì)算揭示物質(zhì)構(gòu)成、不同元素排列與材料功能之間關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有目的設(shè)計(jì)新材料的科學(xué)工程，大大縮短了新材料的研發(fā)周期和研發(fā)成本，導(dǎo)致性能優(yōu)越的新型功能材料不斷產(chǎn)生。例如，由單層碳原子構(gòu)成的石墨烯，它既是當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的最薄的材料，也是最強(qiáng)韌的材料，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍，于此同時(shí)它還又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克可以承受一只一千克的貓。石墨烯材料是目前最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。根據(jù)相關(guān)理論預(yù)測(cè)，用石墨烯取代硅，計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會(huì)快數(shù)百倍。此外，關(guān)于石墨烯非凡應(yīng)用的新聞不斷出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中，如手機(jī)充電只需幾秒鐘？史上最薄電燈泡？光驅(qū)動(dòng)飛行器？似乎石墨烯已經(jīng)成為了無(wú)所不能的超級(jí)材料。以石墨烯為代表的新材料的出現(xiàn)，必將引起工業(yè)設(shè)計(jì)的變革，而工業(yè)設(shè)計(jì)的變革產(chǎn)生新的設(shè)計(jì)理念又反過(guò)來(lái)對(duì)材料科學(xué)提出新的要求，促使材料的角色發(fā)生轉(zhuǎn)變，帶動(dòng)材料科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，材料基因工程在我國(guó)的工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著更強(qiáng)烈的實(shí)用價(jià)值和需求背景，也是我國(guó)在先進(jìn)材料及高端制造業(yè)領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先地位的一大舉措。

5.4.3 材料設(shè)計(jì)與模擬對(duì)2049年日常生活的影響

俗話(huà)說(shuō)：“沒(méi)有金剛鉆，別攬瓷器活”。這句強(qiáng)調(diào)了工具的重要性，其實(shí)也就是材料的重要性。新材料的發(fā)現(xiàn)和使用一直伴隨著人類(lèi)文明的進(jìn)程。如果按生產(chǎn)工具劃分的話(huà)，人類(lèi)從誕生到現(xiàn)在共走過(guò)六個(gè)時(shí)代，分別是：石器時(shí)代（舊、新石器時(shí)代），青銅時(shí)代，鐵器時(shí)代，蒸汽時(shí)代，電氣時(shí)代，信息時(shí)代。而人類(lèi)文明的每一次變遷都和新材料的發(fā)現(xiàn)和使用密切相關(guān)。例如，以天然石頭為原材料的打制石器是舊石器時(shí)代的標(biāo)志，也是人類(lèi)社會(huì)文明的萌芽。此后，陶器作為第一種人造材料結(jié)束了人類(lèi)的舊石器時(shí)代，使人類(lèi)進(jìn)入新石器時(shí)代。再后來(lái)，人類(lèi)又發(fā)明了新的材料青銅，青銅制造的農(nóng)具促進(jìn)了農(nóng)業(yè)發(fā)展，把人類(lèi)帶進(jìn)了青銅時(shí)代。鐵器的發(fā)明和使用又把人類(lèi)文明向前推進(jìn)到鐵器時(shí)代。時(shí)至今日，鋼鐵產(chǎn)量仍是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平和國(guó)防實(shí)力的重要標(biāo)志之一。此后的蒸汽時(shí)代和電力時(shí)代也是建立在人們對(duì)煤炭等新能源材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的基礎(chǔ)上的。而時(shí)至今日，以硅為代表的新型半導(dǎo)體材料把人類(lèi)社會(huì)推向了一個(gè)嶄新的信息時(shí)代。

新材料的發(fā)現(xiàn)和使用還深刻地影響著人類(lèi)的生產(chǎn)生活方式。從無(wú)機(jī)材料到有機(jī)材料，人類(lèi)社會(huì)文?明又有一次大的飛躍。橡膠、塑料、纖維三大合成材料的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，使人類(lèi)對(duì)皮革、木材、棉花和絲綢等自然材料的依賴(lài)性大大降低。在一些領(lǐng)域里，三大人工合成材料還部分或大部分取代了金屬、木材、石材等傳統(tǒng)材料。鋁合金等新型合金材料的使用，使航空航天業(yè)得到空前發(fā)展。以硅為代表的新型半導(dǎo)體材料為人類(lèi)社會(huì)的信息化提供了有力支撐，人類(lèi)傳遞、儲(chǔ)存信息的方式發(fā)生顛覆性變化。新型鋰電池和太陽(yáng)能電池等“綠色能源”材料的應(yīng)用還可以降低污染和能耗、大幅度提高太陽(yáng)能的利用效率，減少人類(lèi)對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴(lài)等等。而納米材料和新型納米功能器件的發(fā)展，則再次可能從根本上改變?nèi)祟?lèi)的社會(huì)生活和生產(chǎn)方式。

在材料基因工程實(shí)施之后，新材料的研發(fā)周期將大大縮短，新材料的研發(fā)成本也將大大的降低。因此人們可以創(chuàng)造出更多與人類(lèi)健康和福利相關(guān)材料。例如，先進(jìn)材料的許多應(yīng)用可解決人類(lèi)健康和福利面臨的挑戰(zhàn)——從生物相容性材料到防受傷的保護(hù)材料設(shè)計(jì)，如假肢或人工器官。防止創(chuàng)傷性腦損傷設(shè)計(jì)的先進(jìn)材料對(duì)于包括運(yùn)動(dòng)員和軍事人員等在內(nèi)的很多用戶(hù)群體都有潛在的好處。而且還可以加快開(kāi)發(fā)清潔能源、減少對(duì)于石油的依賴(lài)，大幅度減少城市污染源。材料設(shè)計(jì)與模擬的研究可以幫助找到新技術(shù)，如為生物燃料生產(chǎn)更好的催化劑、直接從陽(yáng)光產(chǎn)生能量的人工光合作用、新穎高效的太陽(yáng)能光伏、便攜式能源存儲(chǔ)設(shè)備等。基于材料設(shè)計(jì)與模擬開(kāi)發(fā)出來(lái)的先進(jìn)功能材料（如高效率、低成本、輕量化的新型電池材料）還可以減少人類(lèi)生活對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴(lài)。

在人們的日常生活中，新材料的價(jià)值體現(xiàn)，不僅僅是諸多新的產(chǎn)品的涌現(xiàn)，更重要的是新材料廣泛滲透于人類(lèi)的生活，影響著人類(lèi)的生存質(zhì)量。材料科學(xué)每前進(jìn)一小步，人類(lèi)社會(huì)文明就能前進(jìn)一大步。在人類(lèi)的歷史長(zhǎng)河中，新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用將不斷創(chuàng)造著人類(lèi)社會(huì)的新生活。

6 材料設(shè)計(jì)與模擬展望

縱觀當(dāng)代新興科學(xué)技術(shù)的發(fā)展歷史，人類(lèi)在征服自然界和宇宙空間以及微觀世界的過(guò)程中，歷經(jīng)了崎嶇不平的道路?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步，開(kāi)拓了新材料的研究范圍，推動(dòng)了新材料學(xué)科向更高、更新、更智能的方向發(fā)展。同樣，新材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了化學(xué)和化工產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化。先進(jìn)功能材料、納米材料、智能材料等新材料的廣泛應(yīng)用，極大的改善了人類(lèi)生產(chǎn)方式和生活水平。我們也會(huì)看到，探索新材料的過(guò)程中，新型的材料模擬和材料計(jì)算方法在縮短新材料研發(fā)周期和降低新材料研發(fā)成本上起了至關(guān)重要的作用。展望21世紀(jì)，新材料科學(xué)與技術(shù)的研究將伴隨著重重困難的克服而日新月異，必將為人類(lèi)的生活帶來(lái)更加美好的明天。

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