《计算材料学》实验讲义
实验一：Materials Studio软件简介及基本操作
一、前言
1.计算材料学概述
随着科学技术的不断发展，科学研究的体系越来越复杂，理论研究往往不能给出复杂体 系解析表达，或者即使能够给出解析表达也常常不能求解， 传统的解析推导方法已不敷应用， 也就失去了对实验研究的指导意义。反之，失去了理论指导的实验研究，也只能在原有的工 作基础上，根据科研人员的经验理解、分析与判断，在各种工艺条件下反复摸索，反复实验， 最终造成理论研究和实验研究相互脱节。近年来，随着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。
在材料学领域，随着对材料性能的要求不断的提高，材料学研究对象的空间尺度在不断 变小，纳米结构、原子像已成为材料研究的内容，对功能材料甚至要研究到电子层次，仅仅 依靠实验室的实验来进行材料研究已难以满足现代新材料研究和发展的要求。然而计算机模 拟技术可以根据有关的基本理论，在计算机虚拟环境下从纳观、微观、介观、宏观尺度对材 料进行多层次研究，进而实现材料服役性能的改善和材料设计。因此，计算材料学应运而生， 并得到迅速发展，目前已成为与实验室实验具有同样重要地位的研究手段。
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”。计算材料学主要包括两个方面的内容：一方面是计算模拟，即从实验数据出发， 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。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。
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， 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。
2.计算机模拟方法简介
按照时间和空间尺度的不同，计算机模拟技术分为量子力学层次、统计力学层次、介观 层次和宏观层次，主要包含量子力学方法、半经验分子轨道方法、密度泛函理论、分子力学 方法、分子动力学方法、Monte Carlo方法、耗散动力学方法、介观动力学方法、有限元方法、 有限差分方法等。
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计算机模拟技术的层次分布图
（1）密度泛函理论
量子力学方法是以原子分子的微观结构模型为基础，在合理的近似条件下，利用量子力 学原理和必要的数学处理方法与计算方法，描述和计算原子分子的结构、电荷分布、电子能 级以及分子能量等性质。其核心是求解分子的薛定谔方程。进入
20世纪90年代，以密度泛
函为基础的密度泛函理论方法迅速发展起来，它改变了以往其他量子化学计算方法以轨道波 函数为基的特点，转而以电子的密度函数为基，大大提高了计算效率，并迅速得到广泛应用。
密度泛函理论的基本思想是原子、分子和固体的基态性质可用粒子密度函数来描述。1927
年H. Thomas和E. Fermi作了最初的尝试，将能量表示为电子密度的泛函。 1965年,
Hohe nberg-Kohn定理证明了多粒子体系的基态性质是粒子密度的唯一泛函，也就是说多粒子 系统的
基态性质由密度泛函唯一确定，能量泛函对粒子数密度的变分是确定系统基态的途径 但是，仍存在以下三个方面的问题：①如何确定粒子数密度函数，②如何确定动能泛函，③
实验1：Materials_Studio软件简介及基本操作
