系统科学方法在材料化学中的应用

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1、系统科学方法在材料化学中的应用系统科学是以系统为研究和应用对象的一门科学，其发展脉络包括：贝塔朗菲的一般系统论、普利高津的耗散结构理论、哈肯的协同学、埃根的超循理论、米勒的一般生命系统理论、槌田敦的资源物理学、运筹学、非线性分析、经济学领域中的系统科学（里昂惕夫的投入产出法、兰格的经济控制论）、社会学领域中的系统科学等。系统科学方法是指用系统科学的理论和观点，把研究对象放在系统的形式中，从整体和全局出发，从系统与要素、要素与要素、结构与功能以及系统与环境的对立统一关素中，对研究对象进行考察、分析和研究，以得到最优化的处理与解决问题的一种科学研究方法。系

2、统科学对系统的研究，由于抽去了系统的具体形态及其特定的结构和功能，只着眼于一般形态的系统的类型、性质及其运动规律，因此它对各种具体系统的研究，具有方法论的意义，从而使系统科学成为现代的科学方法。系统科学包括多种学科，从其产生和发展过程来看，主要包括一般系统论、信息论、控制论、耗散结构理论、协同学、超循环理论、突变论、混沌理论、分形理论。来源于这些理论的系统科学方法按时问维度可划分为三个层次：一是一般系统科学方法。包括系统方法、信息方法、控制论方法；二是自组织方法。包括耗散结构理论、协同学以及超循环理论中的一些方法；三是复杂性方法。包括自组织方法以及突变

3、论、混沌理论和分形理论中的一些方法。本课题主要研究第一个层面方法的主要内容及其在中国社会改革发展中的应用。目前,关于系统的研究已形成了一个庞大的科学理论体系。本文仅就系统的结构与功能原理展开讨论,并结合材料科学中的一些事实以及社会现象进行分析,以一个科研实例对结构方法的原理及其应用予以论证。系统结构与功能是一对辩证统一的哲学范畴，二者互不可分，既没有无功能的结构，也没有无结构的功能。结构决定了功能，功能反作用于结构．结构与功能在一定的条件下又会相互转化。系统的结构是系统内诸要素构成、结合和相互关联的形式，即系统内诸要素之间稳定的联系方式。而系统的功能是

4、指系统与外部环境相互联系和作用过程的秩序和能力．它体现了一个系统与环境之间的物质、能量和信息的输人与输出的交换关系。在对晶体材料x射线研究中，很好的对阐述了结构是产生相应的功能基础这一观点。晶体材料x射线结构分析就是利用x射线衍射图确定晶体的空间群、晶胞参数的方法，每一种晶体物质都具有一定的内部结构，而结构则决定了晶体对x射线的衍射图案．这些衍射图案便体现了晶体的性质(功能)。如衍射角的大小体现了晶胞的形状和大小，而衍射强度则反映了原子在晶胞中的空间位置。非晶态物质由于其内部没有使x射线产生衍射的空间结构，也就不会产生晶体般的功能；系统的功能由其结构所

5、决定，但功能反作用于结构。根据系统观点，当系统的微小涨落影响了系统的功能，系统的结构会将这种涨落平息下去；当系统的微小涨落经过放大形成宏观上的巨涨落，改变了系统的功能时，系统的结构便无力平息这种涨落，必须根据新功能，改变、调整原有结构。也就是说，系统功能要求系统具有相应的结构，而功能又随环境的变化而变化，从这一点来讲，系统的外部环境可以改变系统的结构。这一原理近年来在科学技术领域得到充分地利用,如在材料的科学上，把两种或两种以上不同性质的材料结合在一起，使它们取长补短，变成具有某些特殊性能的优良新材料，这就是材料复合新技木。“系统论”由生物学家贝塔朗菲

6、建立。生物学家认为20世纪是生物学的分析世纪，21世纪是生物学的综合世纪。金属材料科学的发展是否具有相同的情况？合金系统中是否存在类似基因序列的基本单元序列？它们是否象生物基因序列那样载有合金系的结构参数和性质的基本信息？如果存在这种序列，必将在金属材料科学中引发一项类似“人类基因序列计划工程”的研究。目前国际上已出现合金热力学与计算机科学结合形成的“合金系热力学的评估与计算”（ThermodynamicAssessmentandCalculationofAlloySystems）。物理化学家依赖热力学性质实验资料，热力学理论和计算机技术计算合金的Gi

7、bbs能随浓度的变化和合金系相图。如J.L.Murray和U.R.Kattner等对Ti-Al系热力学评估与计算。其不足之处是没有将热力学性质与电子结构，晶体结构和物理性质关联起来，是单一性质的合金理论。西欧七个科学组织成立了一个联合集团SGTE（ScientificGroupThermodataEurope），发行SGTEdata，提供自然态和非自然态晶体单质的Gibbs能函数，供计算合金系的热力学性质和相图之用。我们开展纯单质系统科学研究能计算自然态和非自然态晶体单质的电子结构、晶格参量、物理性质和Gibbs能函数，为建立合金系的电子结构参数图、晶

8、格参量图、物理性质图、热力学性质图和相图提供必需的资料，能建立各种晶格类型的“元素电子结构和晶