第三届中物院计算材料学与计算化学论坛

Materials Studio软件在计算化学和计算材料学课程教学中的应用Materials Studio软件在计算化学和计算材料学课程教学中的应用随着计算机技术的不断发展，计算化学和计算材料学作为一门新兴的学科，正在逐渐成为现代化学和材料科学领域中不可或缺的重要组成部分。

然而，传统的实验室实践和理论课程往往无法满足学生对这些领域的深入理解和实践操作的需求。

为了满足学生的需求，教学方法需要与时俱进，将计算化学和计算材料学的理论知识和实践技能相结合。

Materials Studio软件是由Accelrys Inc.开发的一款强大的材料模拟和计算工具。

它集成了各种计算方法及相应的建模工具，可以用于材料的结构分析、能量计算、分子动力学模拟和材料性能预测等。

在计算化学和计算材料学的课程教学中，Materials Studio软件具有许多重要的应用。

首先，Materials Studio软件可以用于帮助学生理解材料的基本原理。

在材料物理和材料化学的课程中，学生需要了解原子和分子之间的相互作用以及材料的结构与性质之间的关系。

通过使用Materials Studio软件，学生可以通过实践操作模拟原子和分子之间的相互作用、结构的优化和材料的性质计算等，将课堂上的抽象概念变成真实可见的实验操作，从而更好地理解材料科学的基本原理。

其次，Materials Studio软件可以用于进行材料设计和优化。

在计算材料学的课程中，学生需要学习如何利用计算方法进行材料的设计和优化。

Materials Studio软件提供了多种材料建模和模拟工具，可以帮助学生进行材料的结构设计和性能优化。

例如，学生可以利用软件中的晶体建模工具来构建和优化各种材料的晶体结构，也可以利用分子动力学模拟工具来模拟材料的宏观性质。

通过这些实践操作，学生可以更好地理解和掌握计算材料学的方法和技巧，培养他们的创新能力和实践能力。

此外，Materials Studio软件还可以用于材料的性能预测和分析。

计算材料学计算方法
计算材料学是一种以从微观尺度理解材料行为为目标的跨学科研究领域，它使用理论物理、化学和计算科学的方法来研究和预测材料的性能。

计算材料学的计算方法主要包括：
量子力学计算：这包括密度泛函理论（DFT）、Hartree-Fock 方法以及多体摄动理论等。

这些方法主要用于研究电子结构，以及通过电子结构预测材料的性质。

分子动力学模拟：这种方法用于模拟材料在给定温度和压力下的动态行为。

它可以用来研究热力学和动力学过程，如扩散、相变和化学反应等。

连续介质模型：这种方法用于在更大的尺度（如微米和毫米级别）上研究材料的行为。

它通常用于研究弹性、塑性和疲劳等现象。

统计力学模型：这种方法用于连接微观和宏观尺度，通过集成多个尺度的方法（如多尺度建模）来理解和预测材料的行为。

这些方法在材料科学中的应用广泛。

例如，通过量子力学计算，我们可以预测新材料的电子性质，如导电性、磁性和光学性质等。

通过分子动力学模拟，我们可以理解材料的热力学性质和动力学过程，如熔融、固化和扩散等。

连续介质模型可以帮助我们理解和预测材料在宏观尺度上的行为，如弹性、塑性和疲劳等。

统计力学模型则可以帮助我们从微观尺度推导出材料的宏观性质。

总的来说，计算材料学的计算方法为理解和预测材料性质提供了强大的工具，为材料设计和优化提供了重要的理论支持。

计算化学、理论化学、计算材料学简介计算化学是理论化学的一个分支。

计算化学的主要目标是利用有效的数学近似以及电脑程序计算分子的性质(例如总能量，偶极矩，四极矩，振动频率，反应活性等)并用以解释一些具体的化学问题。

计算化学这个名词有时也用来表示计算机科学与化学的交叉学科。

理论化学泛指采用数学方法来表述化学问题，而计算化学作为理论化学的一个分支，常特指那些可以用电脑程序实现的数学方法。

计算化学并不追求完美无缺或者分毫不差，因为只有很少的化学体系可以进行精确计算。

不过，几乎所有种类的化学问题都可以并且已经采用近似的算法来表述。

理论上讲，对任何分子都可以采用相当精确的理论方法进行计算。

很多计算软件中也已经包括了这些精确的方法，但由于这些方法的计算量随电子数的增加成指数或更快的速度增长，所以他们只能应用于很小的分子。

对更大的体系，往往需要采取其他一些更大程度近似的方法，以在计算量和结果的精确度之间寻求平衡。

计算化学主要应用已有的电脑程序和方法对特定的化学问题进行研究。

而算法和电脑程序的开发则由理论化学家和理论物理学家完成。

计算化学在研究原子和分子性质、化学反应途径等问题时，常侧重于解决以下两个方面的问题：为合成实验预测起始条件研究化学反应机理、解释反应现象计算化学的子学科主要包括：原子和分子的计算机表述利用计算机协助存储和搜索化学信息数据(参见化学数据库)研究化学结构与性质之间的关系(参见定量构效关系(QSAR)及定量构性关系(QSPR))根据对作用力模拟对化学结构进行理论阐释计算机辅助化合物合成计算机辅助特性分子设计(例如计算机辅助药物设计)理论与计算化学在基础和应用研究中都扮演着重要的角色，是物理学、材料科学、化学和生命科学研究中的一个重要手段。

借助高性能计算机，理论化学家可以在不借助任何经验参数的情况下，从第一原理出发获得小分子体系结构和动力学的详细信息，这些信息不仅可以直接和实验相印证，而且可以从微观的角度对实验现象进行分析和解释。

面向工程问题采用项目式教学提升课程获得感—以“计算材料学”和“材料计算与设计”授课为例汤富领a，李俊琛a，卢学峰a，薛红涛b，任军强b（兰州理工大学 a.材料科学与工程学院；b.有色金属先进加工及再利用国家重点实验室，兰州 甘肃 730050）［摘　要］计算材料学是一门适用于材料科学与工程学科本科生的新兴学科交叉课程，材料计算与设计是其后续的研究生课程。

它们知识面广且具有鲜明的操作实践性，传统授课方式不尽如人意。

在新行为主义学习理论指导下，面向工程问题，采用分层次项目式教学方法展开教学以提升学生课程获得感。

该文详述其教学过程。

［关键词］面向工程问题；项目式教学；新行为主义；计算材料学；课程获得感［基金项目］ 2019年度兰州理工大学“国际学生（研究生）全英文授课课程建设项目”（GRA2019E01）；2018年度兰州理工大学材料科学与工程学院项目式教学项目（CLXM201808）［作者简介］ 汤富领（1973—）男，河南开封人，博士，兰州理工大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，主要从事计算材料学研究。

［中图分类号］ G434 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2020）44-0291-02 ［收稿日期］ 2020-05-09计算材料学[1]是材料科学与工程学科的一门新兴学科交叉课程，材料计算与设计是其后续的研究生课程，它们以计算机（软件）为工具学习和研究材料的成分、结构和性能间的相关关系，并逐渐成为材料学科重要的专业课。

课程涉及丰富的物理、化学和材料学基础理论知识，研究方法多元、实验操作技能应用性强，强调知识与技能的交叉和融合，具有很强的实用性和趣味性。

授课时既需要在短时间内把丰富的知识传授给学生，又要让学生掌握扎实的操作实践技能，尤其是要培养学生工程认证理念下解决复杂工程问题的能力；但受课时限制，这些要求很难完成，对传统授课方式提出了挑战[2]。

一、传统授课模式不能适应操作性强的新兴交叉学科课程涉及的课程有两个特点。

《MaterialsStudio软件在计算化学和计算材料学课程教学中的应用》篇一一、引言随着计算机科学的快速发展，计算化学和计算材料学已经成为化学和材料科学领域的重要组成部分。

作为新兴的科研工具，MaterialsStudio软件为该领域提供了强大的技术支持。

在高校的教学中，如何有效结合MaterialsStudio软件，为学生提供理论与实践相结合的学习体验，已经成为一项重要的教学任务。

本文将探讨MaterialsStudio软件在计算化学和计算材料学课程教学中的应用。

二、MaterialsStudio软件简介MaterialsStudio是一款集成了多种计算化学和材料科学模拟方法的软件，它为科研人员提供了全面的建模、模拟和分析工具。

其核心功能包括量子化学计算、分子动力学模拟、第一性原理计算等，这些功能在化学、物理、材料科学等领域都有广泛应用。

三、MaterialsStudio软件在计算化学教学中的应用1. 增强学生对理论知识的理解：通过使用MaterialsStudio软件进行量子化学计算和分子模拟，学生可以更直观地理解化学反应的机理和分子间的相互作用力，从而增强对理论知识的理解。

2. 提高学生实验技能：利用MaterialsStudio软件进行虚拟实验，学生可以在没有实际实验条件的情况下进行实验操作，提高实验技能。

同时，软件提供的模拟结果可以帮助学生更好地理解实验结果。

3. 培养科研能力：通过使用MaterialsStudio软件进行科研课题的研究，学生可以了解科研的基本流程和方法，培养科研能力。

同时，学生可以将自己的研究成果与实际科研项目相结合，提高研究水平。

四、MaterialsStudio软件在计算材料学教学中的应用1. 帮助学生理解材料性能：通过使用MaterialsStudio软件进行材料性能的模拟和分析，学生可以更深入地理解材料的性能和结构之间的关系，从而为后续的材料设计和应用提供依据。

“第十二届国际凝聚态理论与计算材料学会议”日程2013年8月11日，星期日（报到注册，地点：各主要宾馆、中山大学冼为坚堂）Session-1: 2013年8月12日，星期一，上午8:30~12:10地点：第三教学楼Session-2：2013年8月12日，星期一，下午14:00~17:40地点：第三教学楼Session-3: 2013年8月13日，星期二，上午8：00 ～10：00 地点：高等学术研究中心（冼为坚堂）、外院大楼（分会邀请报告20分钟，口头报告15或12分钟）Session-4: 2013年8月13日，星期二，上午10：20 ～12：00 地点：高等学术研究中心（冼为坚堂）、外院大楼（分会邀请报告20分钟，口头报告15或12分钟）Session-5: 2013年8月13日，星期二，下午14：00 ～16：00 地点：高等学术研究中心（冼为坚堂）、外院大楼（分会邀请报告20分钟，口头报告15或12分钟）Session-6: 2013年8月13日，星期二，下午16：20 ～18：00 地点：高等学术研究中心（冼为坚堂）、外院大楼（分会邀请报告20分钟，口头报告15或12分钟）Session-7: 2013年8月14日，星期三，上午8：00 ～10：00 地点：高等学术研究中心（冼为坚堂）、外院大楼（分会邀请报告20分钟，口头报告15或12分钟）Session-8: 2013年8月14日，星期三，上午10：20 ～12：00 地点：高等学术研究中心（冼为坚堂）、外院大楼（分会邀请报告20分钟，口头报告15或12分钟）Session-9：2013年8月14日，星期三，下午14：00～17：30；地点：高等学术研究中心（冼为坚堂）一层讲学厅Session-10: 张贴报告2013年8月12 - 14日地点：高等学术研究中心（冼为坚堂）一层。

计算材料学材料科学与计算机科学的交叉学科计算材料学是一门新兴的跨学科研究学科，它是材料科学与计算机科学的有机结合。

它涉及到材料物理、材料化学、数学建模和计算机模拟，以及分子动力学、分子模拟和复杂网络技术等方面，在充分发挥计算机处理能力和材料科学理论知识优势的基础上，探索、研究和管理材料的构筑、组织、性能和行为等。

在科学研究方面，计算材料学在材料科学、物理学和化学领域的应用可以从多个层面上深入到材料的研究和设计，支撑建立了从颗粒到力学到本构关系的框架，全面考虑了材料的原子结构、断裂行为和各种数据表征。

目前计算材料学正在快速发展，并且在科学研究领域有着重要的作用，例如，计算材料学为材料设计提供了更加全面和深入的建模和分析技术，进而提高了材料创新能力。

此外，计算材料学在生物医学领域也发挥巨大作用，可以助力设计和优化人工小分子，提升生物相容性和特定活性，应用于抗微生物药物和疫苗的开发。

同时，计算材料学还可以探索表征新材料的结构和性能，帮助研究人员识别出新材料的潜力应用，开拓新的应用领域。

在实际应用方面，计算材料学通过分析和模拟网络，可以精准找到节能和环保的材料，用于节能环保技术、结构设计、新型能源等领域。

其中，新型材料组件可以应用于航空航天、汽车、电力系统等行业，帮助改善材料的结构性能和使用寿命，从而推动了关键行业的发展。

综上所述，计算材料学为材料科学带来了巨大的改变，它可以更加全面地研究和分析材料，从而帮助人们更加精准地设计和改善材料，提高材料创新能力，进而对整个社会产生实际意义和重要影响。

因此，为了更快地推动计算材料学的发展，建议有关机构和学术社会充分认识计算材料学的影响力，从系统层面建立良好的教育、科研和社会组织体系，加强计算材料学的培训和实践，促进业界技术的转化，并推动计算材料学的持续发展。

材料科学中的计算材料学和虚拟材料设计随着科学技术的不断进步，材料科学的研究领域也在不断扩大。

在这个领域中，计算材料学和虚拟材料设计是两个备受关注的概念。

本文将介绍这两个概念，以及它们在材料科学中的应用和发展。

一、计算材料学计算材料学是一种运用计算机和数值方法来研究材料特性和材料行为的学科。

与传统实验室研究不同，计算材料学采用计算模型和相应的软件程序来模拟材料的结构、力学行为、热力学行为等。

通过模拟和计算，可以在不需要实际制备材料的情况下，预测材料的性质和行为，优化材料的结构和性能。

目前，计算材料学的研究范围非常广泛，包括材料的结构和性质、材料的电子结构和磁学、纳米材料和超材料等等。

在研究材料的基本性质方面，计算材料学可以预测材料的相变、材料的力学强度、材料的热膨胀系数等。

在研究调控材料性能方面，计算材料学可以通过修改材料的微观结构或添加掺杂元素来改善材料的力学性质和光学性质。

计算材料学的研究方法主要包括密度泛函理论、分子动力学模拟、蒙特卡罗模拟等。

其中，密度泛函理论是计算材料学中最重要和最常用的理论方法之一。

它可以从材料中所有原子的电子密度出发，计算出材料的基本性质，如能带结构、电荷密度分布、反应催化等。

二、虚拟材料设计虚拟材料设计是用计算机和虚拟化技术来设计新材料的过程。

它可以帮助工程师和科学家在实际制造和测试之前，预测材料的性能，并且设计新的材料结构和组合。

虚拟材料设计是一种高效和经济的材料开发方式，因为它可以减少实验差错和能够优化材料的性能。

此外，虚拟材料设计也可以加速材料开发过程，改善材料生产的效率。

在虚拟材料设计中，需要运用不同的建模和仿真方法，可根据实际需要选择适当的方法。

这些方法包括分子动力学模拟、统计学习方法、人工神经网络、量子化学计算和机器学习等。

虚拟材料设计可以用于许多领域，例如材料学、化学、光电、生物医学和能源等。

它也可以用于设计新的纳米材料、超材料和先进复合材料等。

总结从本质上讲，计算材料学和虚拟材料设计都是计算机科学、物理学和工程学的交叉学科。

计算材料学研究——探索材料之本质与未来材料科学是现代科学技术中的重要分支之一，它在促进各个领域的发展中作出了不可或缺的贡献。

其中，计算材料学作为新兴的重要研究方向，为材料科学的发展提供了一种全新的思路和方法，被广泛应用于化学、物理、机械、电子等领域中。

一、计算材料学的基本概念计算材料学是指通过计算机模拟、数学分析和大数据挖掘等手段，从微观角度对材料进行全面深入的研究、分析和设计。

它以材料的基础理论及物理、化学、电学等方面的知识为基础，运用材料计算软件及高性能计算技术进行计算与分析，从而探究材料组成和结构、材料性质及其演化机制等信息，以便优化设计和制造出更高性能的新型材料。

目前，计算材料学的研究方向各异，包括材料模拟与计算、材料物理性质计算、表面物理与化学、材料先进加工技术等方面，使得材料的研究方法得到了创新和升级。

二、计算材料学的应用计算材料学的应用范围非常广泛，涉及国防、经济、生命、环境、汽车、航空航天、信息通讯等多个领域。

例如，在材料设计方面，传统方式通常是从实验室一步步试验和推进，然而这种方法需要大量时间和资金支持，并且很难设计和制造出跨越新世界的材料。

相较之下，计算材料学通过建立适当的数学物理模型及计算方法，能够快速、准确地进行材料的设计和预测。

这种新型的研究方式，缩短了材料开发周期，同时为材料创新及材料应用提供了新的机遇。

三、计算材料学发展现状从理论基础的角度，计算材料学的发展在于提高材料基础知识的密集度和精度，同时发展新型的计算方法和技术。

无论是从材料对称性求解方面，还是从电子结构理论预测材料性质来看，都需要成倍地提高计算速度和精度，这涉及到数值算法和信息科学和技术的发展。

因此，从基础理论出发，计算材料学需要逐渐发展出更加精准、可靠和高效的计算方法，不断完善材料模型及应用对象，从而为新材料的设计开发提供更强的支撑。

当前，国内外许多高端、先进的实验设备和计算资源得到了巨大发展，这使得计算材料学的研究范围得以不断拓宽，目前计算材料学结合大数据和人工智能技术正在不断深入版图。