国外材料计算研究进展

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1、摘自：先进制造与新材料科学研究动态监测快报2012年第18期国外材料计算研究进展编者按：材料计算学是一门前沿交叉学科，在提高材料高级科学发现、缩短材料开发和产业化周期方面发挥着重要的作用。美国、欧盟、H本、新加坡等世界要国家/地区都非常注重材料计算与模拟的发展，组织实施了-系列相关的研究计划和项冃。特别是2011年6月美国发布“材料基因组计划”后，引起了各国对材料计算与模拟的进一步重视。我国也于2011年12月召开“材料科学系统工程”香山会议，重点研讨材料计算与模拟的发展。本期专题主要从国家和主要研究

2、机构的角度对最新的材料计算与模拟研究进展进行分析，以期对我国的研究提供有益的参考和建议。1前言随着计算科学与技术的0速发展，材料科学与数学、物理、化学、匸程力学诸多学科相互交叉与渗透，产生了一门新兴学科一材料学。计算材料学的内涵可以概括为：根据材料科学和相关科学基木原理，通过模型化与计算实现对材料制备、加工、结构、性能和使役行为等参量或过程的定量描述，理解材料结构与性能、功能之间的关系，引导材料发现和发明，缩短材料研制周期，降低材料过程成本。计算材料学主要包括两个方面的内容：一方而是计算模拟，即从实验

3、数据出发，通过建立数学模型及数值计算，模拟实际过程；另一方面是材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测或设计材料结构与性能。材料计算为模拟在材料性能设计、肖约材料少肖能、加快产业化进程中发挥着重耍的作用。材料计算与模拟一直以來受到各国的重视，特别是2011年6月，美国“材料基因组计划”的发布乂引发了新一轮的研究热潮，引起了众多国家和研究机构的关注。2美国美国在材料计算打模拟领域部署了多个大型项冃。美国能源部、国家科学基金会、国家标准与技术研究院、国防部等多个政府机构都部署了相关的研究计划和项口

4、，并有高级计算科学研究屮心、能源前沿研究中心等多个研究机构和基础设施。2011年6M240,美国总统奥巴马宣布了一项超过5亿美元的“推进制造业伙伴关系”计划，通过政府、高校及企业的合作來强化美国制造业，“材料基因组计划”（“材料基因组”是一种新提法，具本质与材料计算学类似）是上述计划的重要纽成部分，投资超过1亿美元。“材料基因组计划”意欲推动材料科学家重视制造环节，并通过搜集众多实验团队以及企业有关新材料的数据、代码、计算工具等，构建专门的数据库实现共享，致力于攻克新材料从实验室到工厂这个放人过程屮的

5、问题。“材料基因组计划”已经开始实施，旨在通过高级科学计算和创新设计工具促进材料开发，建立了MaterialsExplorer、PhaseDiagramApp>LithiumBatteryExplorersFteactionCalculator、CrystalToolkitsStructurePredictor等基础数据库,并不断地进行软件升级和数据更新。在该计划卜，麻省理匚学院G.Ceder领导的研究组开展了高通量计算材料设计等研究。美国能源部主导的“材料和化学计算创新项目”重点关注以下7个研究方向

6、：①极端条件材料；②化V反应；③薄膜、表面和界面；④自组装与软物质；⑤强关联电子系统和复杂材料、超导、铁电、磁材料;⑥电了动力学、激发态、光捕获材料和工艺;⑦分离和流体工艺等。始于2001年的芙国能源部“高级计算科学发现项日”，是开发新一代科学模拟计算机的综合计划。在新材料设计、未來能源资源开发、全球环境变化研究、改进环境净化方法以及微观物理和宏观物理方而的研究方而发挥了币:耍作用。2009年8刀，美国能源部提供3.77亿美元在全国各人学、国家实验室、非盈利纟R织、私营企业建立46个能源前沿研究屮心。

7、旨在利用纳米技术、高强度光源、'I'/散射源、超级计算机及其他先进仪器方而的最新发展,解决太阳能、生物燃料、交通运输、能源效率、电力存储和传输、洁净煤和碳捕获少封存，以及核能源方面的关键问题。材料计算模拟在该项目中发挥了重要作用。美国国家科学基金会“21批纪科学与I〔程网络基础设施框架”旨在开发和部署综介的、集成的、可持续的、安全的网络棊础设施，加快计算和数据密集型科学打工程的研究和教育，解决复杂科学和社会问题。主耍的研究方向包括数据驱动的科学、研究网络社区、新的计算菇础设施、网络基础设丿施访问和链接

8、；还包括2个优先发展的关键领域，纳米技术、纳米制造、材料科学、数学和统计科学、化学、工程、软件应用等领域的材料(物质)设计;能源、环境、社会等领域的研究活动。美国国家科学基金会主导的“计算纳米技术网络”重点的研究方向包括纳米生物技术与器件的计算和模拟工具、纳米制造计算和模拟软件、纳米工程电了器件模拟等。美国国家标准与技术研究院是美国从事测量科洋和标准化领域研究的最大机构,使美国具备了领先的测量水准以及测虽匚具和设施。该研究院的材料计录实验室、纳米科技屮心