计算材料学-之-材料设计、计算及模拟演示-精选ppt课件.ppt
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1、我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物精选课件第四章第四章材料设计、计算及模拟材料设计、计算及模拟 我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物主要内容主要内容o计算材料学的起源计算材料学的起源o计算材料学的方法计算材料学的方法o计算材料学的应用计算材料学的应用精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物主要
2、内容主要内容o计算材料学的起源计算材料学的起源o计算材料学的方法计算材料学的方法o计算材料学的应用计算材料学的应用精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物计算材料学的起源o 1913 Niels Bohr 建立了原子的量子模型。o 1920s1930s 量子力学的建立和发展。o 1928 F. Bloch 将量子理论运用于固体。o 1927 原子电子结构的Thomas-Fermi理论。o 1928-1930 Hatree-Fock方法建立,采用平均场近似求解电子结构的问题。o 1964-19
3、65 密度泛函理论(DFT)和Kohn-Sham方法o 1998 Kohn和Pople获得Nobel化学奖精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物 all the mathematics to solve the whole of chemistry is known, but the equations are too difficult to solve P.A.M. Dirac (1930)“解决全部化学的规律的数学方法已完全知道解决全部化学的规律的数学方法已完全知道了,困难只是在于这
4、些方程太复杂,无法求解了,困难只是在于这些方程太复杂,无法求解” 精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物1953年舒尔(年舒尔(H. Schull)等人用手摇计算机,摇了等人用手摇计算机,摇了2年才完成氮分子的哈特里福克(年才完成氮分子的哈特里福克(Hartree-Fock)等等级的从头计算。级的从头计算。 也许我们可以相信理论物理学家,物质的所有性质也许我们可以相信理论物理学家,物质的所有性质都应当用薛定谔方程来计算。但事实上,自从薛定都应当用薛定谔方程来计算。但事实上,自从薛定谔方程发
5、现以来的谔方程发现以来的3030年中,我们看到,化学家感兴年中,我们看到,化学家感兴趣的物质性质只有很少几个作出了准确而又非经验趣的物质性质只有很少几个作出了准确而又非经验性的量子力学计算。性的量子力学计算。 L. Pauling (1960)精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物科学计算的重要性“科学计算已经是继理论科学、实验科学之后,人类认识科
6、学计算已经是继理论科学、实验科学之后,人类认识与征服自然的第三种科学方法。与征服自然的第三种科学方法。”“现代理论和计算机的进步,使得材料科学与工程的性质现代理论和计算机的进步,使得材料科学与工程的性质正在发生变化。材料的计算机分析与模型化的进展,将使正在发生变化。材料的计算机分析与模型化的进展,将使材料科学从定性描述逐渐进入定量描述阶段。材料科学从定性描述逐渐进入定量描述阶段。”9090年代的材料科学与工程年代的材料科学与工程精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物科学计算的可行性 计算机
7、软、硬件条件的飞速发展为科学计算提供了有计算机软、硬件条件的飞速发展为科学计算提供了有力保证。力保证。 量子力学,量子化学等基础理论的发展为科学计算奠量子力学,量子化学等基础理论的发展为科学计算奠定了理论基础。定了理论基础。精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物Moore定律:计算机定律:计算机CPU的速度每的速度每1.5年增加一倍。年增加一倍。19461957 真空管真空管,第一代第一代19581963 晶体管晶体管,第二代第二代19661970集成电路集成电路,第三代第三代1971 大
8、规模和超大规模大规模和超大规模 集成电路集成电路,第四代第四代CPU的速度增加:Moore定律精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物o 多核技术o 集群技术精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物 材料设计(材料设计(Materials by design)一词正在变为现一词正在变为现实,它意味着在材料研制与应用过程中理论的份量不断增实,它意味着在材料研制与应用过程中理论的份量不断增长,
9、研究者今天已经处在应用理论和计算来设计材料的初长,研究者今天已经处在应用理论和计算来设计材料的初期阶段期阶段。 美国国家科学研究委员会(美国国家科学研究委员会(1995)材料设计精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物o 计算材料学是沟通理论与实验、宏观与微观的桥梁。计算材料学的概念精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物计算机计算机模拟模拟计算机模拟与材料研究四面体使用性能合成/加工组织
10、结构/成分性能精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物 计算材料学(Computational materials science)是结合凝聚态物理、材料物理学、理论化学、材料力学、工程力学和计算机算法等相关学科,利用现代高速计算机,模拟材料的各种物理化学性质,深入理解材料从微观到宏观多个尺度的各种现象与特征,对材料的结构和物理化学性能进行理论预测,从而达到设计新材料的目的。计算材料学的定义精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快
11、,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物计算材料学的内涵o 通过模型化与计算实现对材料制备、加工、结构、性能和服役表现等参量或过程的定量描述;o 理解材料结构与性能和功能之间的关系;o 设计新材料;o 缩短材料研制周围;o 降低材料制造过程成本。精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物o 可以归纳为三个方面: (1)计算机模拟是基础研究和工程应用的桥梁。 (2)计算机模拟指出了未来材料科学发展的方向。 (3)计算机模拟能够揭示材料科学和工程的不同方面。计算模拟的作用精选课件我吓了一跳,蝎子
12、是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物主要内容o 计算材料学的起源o 计算材料学的方法o 计算材料学的应用精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物材料研究中的尺度(时间和空间)o 空间尺度n 纳观 原子层次n 微观 小于晶粒尺寸n 介观 晶粒尺寸大小n 宏观 宏观试样尺寸o 时间尺度n 原子振动频率 n 宏观时间尺度精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感
13、到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物空间尺度精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物聚合物中的空间和时间尺度Bond lengths, atomic radii 0.1 nmStatistical (Kuhn) segment length b 1 nmChain radius of gyration 10 nmDomain size i
14、n phase-separated material 1 mBond vibrations10-14 sConformat. transitions 10-11 sLongest relaxation time 10-3 sPhase/ microphase separation 1 s Physical ageing ( g-20C) 1 yr Melt Glassy state精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物材料设计的层次精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它
15、放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物典型模拟方法精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物主要内容o 计算材料学的起源o 计算材料学的方法o 计算材料学的应用精
16、选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物第一原理(First Principles)o 不依赖于实验数据与经验公式,完全从最基本的物理定律出发。n 元素周期表+基本物理常数+计算机模拟o 对材料科学研究来说,第一原理指的是量子力学。精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物电子结构与材料性能o 电子和原子核是决定原子、分子、凝聚态物质,人造结构性质的基本粒子。o 电子被称为“量子胶水”(qua
17、ntum glue)将原子核连接在一起。o 电子激发态决定材料的电子、光学、磁学性能。精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物电子基态:键合和特征结构a 闭壳系统,如惰性气体,闭壳系统,如惰性气体,成键很弱成键很弱b 离子晶体,可认为是大的离子晶体,可认为是大的阴离子和小的阳离子组成的阴离子和小的阳离子组成的闭壳系统,如闭壳系统,如NaCl,库仑,库仑作用很强作用很强c 共价键,有共用电子对组共价键,有共用电子对组成,有方向性成,有方向性d 金属键合,由分布在离子金属键合,由分布在离子核周围
18、的自由电子组成自由核周围的自由电子组成自由电子气电子气精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物Schrdinger 方程EHNiMAMABABBANiNijijNiMAiAAMAAAiRZZrrZMH11111122112121精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物Kohn-Sham(沈吕九) 方法o 第二项:静电作用能o 第三项:无相互作用体系的动能o Exx: 含有交换-相关能的项(
19、难点)| |) ()(21)()(xxVETdrdrrrrrdrrrVE精选课件我吓了一跳,蝎子是多么丑恶和恐怖的东西,为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢?但是我也感到愉快,证实我的猜测没有错:表里边有一个活的生物材料电子结构模拟密度泛函理论(DFT)Bismuth-induced embrittlement of copper grain boundaries Calculated charge density from copper grain-boundary region. G. Duscher, et.al. Nature Materials, 22 August, 2004精选课
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