材料信息学解决方案

2014-08-28 09:13:24 来源:源资科技市场部

新闻摘要:材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能以及它们之间的相互关系,集物理学、化学、冶金学等于一体的科学。材料科学是一门与工程技术密不可分的应用科学。中国的材料科学研究水平位居世界前列,有些领域甚至居于世界领先水平。近几年,尤其是新能源材料、环保材料、新兴的电子和汽车工业等领域,备受广大材料研究者关注。

  材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能以及它们之间的相互关系,集物理学、化学、冶金学等于一体的科学。材料科学是一门与工程技术密不可分的应用科学。中国的材料科学研究水平位居世界前列,有些领域甚至居于世界领先水平。近几年,尤其是新能源材料、环保材料、新兴的电子和汽车工业等领域,备受广大材料研究者关注。


 材料科学是一门交叉学科,以下为各个领域的解决方案具体介绍:


一、材料基因组计划(MGI)
自上个世纪八十年代起,技术的革新和经济的发展越来越依赖新材料的进步。目前,从新材料的最初发现到最终工业化应用一般需要10~20年的时间。例如,作为目前移动电子设备所用的Li电池,从上世纪70年代中期实验室原型到90年代晚期应用,前后花了近20年时间,但是至今还没能应用到电动汽车上,很明显,新材料的研发步伐严重滞后于产品的设计。
当前,面对竞争激烈的制造业和快速的经济发展,材料科学家和工程师必须缩短新材料从发现到应用的研发周期,以期来解决21世纪的巨大挑战。然而,当前的新材料研发主要依据研究者的科学直觉和大量重复的“尝试法”实验。2011年,美国率先提出了“材料基因组计划”(又名Materials Genome Initiative),简称MGI,目的在于基于已有的材料科学技术的基本知识,结合理论和实验,借助现有高效、准确的计算模拟工具,探寻材料成分、结构和性能之间的关系,旨在快速研发新材料,降低研发成本,高效发展先进制造业。


材料基因组计划缩短材料开发时间目标


2012年底,我国开展了“材料基因组计划”,《材料科学系统工程发展战略研究—中国版材料基因组计划》重大项目启动会在中国工程院召开。会议由屠海令院士主持。项目组总顾问徐匡迪院士和清华大学原校长顾秉林院士出席了会议。才鸿年、崔俊芝、范守善、顾秉林、南策文、沈宝根、王崇愚、王鼎盛、王海舟、王一德、徐惠彬等近40位院士专家分别作为项目组顾问和课题组负责人出席了会议。各院士、专家深入探讨了当前在我国开展材料基因组计划研究的难点和重点,并就咨询项目提出了具体建议。


二、计算材料学
1. 研究内容:
在“材料基因组计划”的推动下,计算材料学(Computational Materials Science)在近几年蓬勃发展起来。计算材料学是材料科学与计算机科学的交叉学科,是一门正在快速发展的新兴学科,是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科,是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。随着科学技术的发展,科学研究的体系越来越复杂,传统的解析推导方法已不敷应用,甚至无能为力。计算机科学的发展和计算机运算能力的不断提高,为复杂体系的研究提供了新的手段。以材料这样一个典型的复杂体系为研究对象的新学科— 计算材料科学也应运而生,并迅速得到发展。
2. 计算材料学对实验的价值
计算材料科学的发展无论是在理论上还是在实验上都使原有的材料研究手段得以极大的改观。它不仅使理论研究从解析推导的束缚中解脱出来,而且使实验研究方法得到根本的改革,使其建立在更加客观的基础上,更有利于从实验现象中揭示客观规律,证实客观规律。因此,计算材料科学是材料研究领域理论研究与实验研究的桥梁,不仅为理论研究提供了新途径,而且使实验研究进入了一个新的阶段。
3. 计算方法
计算材料学涉及材料的各个方面,如不同层次的结构、各种性能等等,因此,有很多相应的计算方法。在进行材料计算时,首先要根据所要计算的对象、条件、要求等因素选择适当的方法。要想做好选择,必须了解材料计算方法的分类。目前,主要有两种分类方法:一是按理论模型和方法分类,二是按材料计算的特征空间尺寸分类。材料的性能在很大程度上取决于材料的微结构,材料的用途不同,决定其性能的微结构尺度会有很大的差别。例如,对结构材料来说,影响其力学性能的结构尺度在微米以上,而对于电、光、磁等功能材料来说可能要小到纳米,甚至是电子结构。因此,计算材料学的研究对象的特征空间尺度从埃到米。时间是计算材料学的另一个重要的参量。对于不同的研究对象或计算方法,材料计算的时间尺度可从10-15秒(如分子动力学方法等)到年(如对于腐蚀、蠕变、疲劳等的模拟)。对于具有不同特征空间、时间尺度的研究对象,均有相应的材料计算方法。


不同时间尺度和空间尺度适合的计算模拟方法


目前常用的计算方法包括第一原理从头计算法,分子动力学方法,蒙特卡洛方法,有限元分析等。
4. 计算材料学的发展前景
计算材料学的发展是与计算机科学与技术的迅猛发展密切相关的。从前,即便使用大型计算机也极为困难的一些材料计算,如材料的量子力学计算等,现在使用微机就能够完成,由此可以预见,将来计算材料学必将有更加迅速的发展。另外,随着计算材料学的不断进步与成熟,材料的计算机模拟与设计已不仅仅是材料物理以及材料计算理论学家的热门研究课题,更将成为一般材料研究人员的一个重要研究工具。由于模型与算法的成熟,通用软件的出现,使得材料计算的广泛应用成为现实。因此,计算材料学基础知识的掌握已成为现代材料工作者必备的技能之一。


三、材料模拟仍存在难题
1. 创建更贴近实际存在的模型,更复杂模型,如热固性材料、界面模型等。
2. 获得材料更精确的电子结构性质。
3. 考察更大体系在实际工作压力和温度下的理化性质。
4. 结合多种计算模拟方法全面考察材料结构和性能。
5. 直接预测材料的多种理化性质,解决实验中遇到的实际问题。
6. 实现批量计算任务一次提交,利用流程图便捷提交冗长任务。


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