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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、日本、新加坡等世界主要国家/地区都非常注重材料计算与模拟的发展，组织实施了一系列相关的研究计划和项目。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。前言
随着计算科学与技术的飞速发展，材料科学与数学、物理、化学、工程力学诸多学科相互交叉与渗透，产生了一门新兴学科——计算材料学。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本原理，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。材料计算与模拟在材料性能设计、节约材料与节能、加快产业化进程中发挥着重要的作用。材料计算与模拟一直以来受到各国的重视，特别是2011年6月，美国“材料基因组计划”的发布又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。美国
美国在材料计算与模拟领域部署了多个大型项目。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目，并有高级计算科学研究中心、能源前沿研究中心等多个研究机构和基础设施。
2011年6月24日，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、高校及企业的合作来强化美国制造业，“材料基因组计划”(“材料基因组”是一种新提法，其本质与材料计算学类似)是上述计划的重要组成部分，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大过程中的问题。“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Materials Explorer、Phase Diagram App、Lithium Battery Explorer、Reaction Calculator、Crystal Toolkit、Structure Predictor等基础数据库，并不断地进行软件升级和数据更新。在该计划下，麻省理工学院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：①极端条件材料；②化学反应；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电子动力学、激发态、光捕获材料和工艺；⑦分离和流体工艺等。始于2001年的美国能源部“高级计算科学发现项目”，是开发新一代科学模拟计算机的综合计划。在新材料设计、未来能源资源开发、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面的研究方面发挥了重要作用。2009年8月，美国能源部提供3.77亿美元在全国各大学、国家实验室、非盈利组织、私营企业建立46个能源前沿研究中心。旨在利用纳米技术、高强度光源、中子散射源、超级计算机及其他先进仪器方面的最新发展，解决太阳能、生物燃料、交通运输、能源效率、电力存储和传输、洁净煤和碳捕获与封存，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世纪科学与工程网络基础设施框架”旨在开发和部署综合的、集成的、可持续的、安全的网络基础设施，加快计算和数据密集型科学与工程的研究和教育，解决复杂科学和社会问题。主要的研究方向包括数据驱动的科学、研究网络社区、新的计算基础设施、网络基础设施访问和链接；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、纳米工程电子器件模拟等。
美国国家标准与技术研究院是美国从事测量科学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量工具和设施。该研究院的材料计量实验室、纳米科技中心从事针对纳米材料、生物材料和能源材料等先进材料的标准与科学计量研究，并建有参考材料和标准参考数据库。在2012年的预算中，纳米产品制造相关的科学计量和标准开发投入达到952.6万美元，产业相关新材料的投入达到1424.2万美元。在“材料基因组计划”中，美国国家标准与技术研究院主导的“先进材料设计”项目将针对标准基础设施、参考数据库和卓越中心的发展，使材料的发现和优化计算建模和仿真更可靠。
早在2003年，美国国家研究委员会针对美国国防部对材料与制造研究的需求进行了研究，并推荐将计算材料设计研究作为投资的主要方向。2010年春季，美国国防部确定了6个基础研究子领域用于服务军队，其中计算材料科学是其中之一。而在“材料基因组计划”中提出，美国国防部将重点投资计算材料的基础研究和应用研究，提高材料性能满足广泛的国家安全需求，在材料防御系统保持技术优势。陆军研究实验室、海军研究办公室和空军研究实验室将共同进行该项目研究。美国陆军研究实验室材料科学部设有材料设计计划，旨在对材料行为进行预测和控制，并对其性能和稳定性予以优化。计划的一个重点领域是表面和界面工程，另一个重点领域是适合维度下材料的原地和异地分析方法开发。海军研究办公室下属的材料科学与技术部成立有计算材料科学中心，目前针对计算生物物理、计算方法、能源存储、磁性材料、磁性半导体材料、材料机械性能、量子信息、辐射材料、超导材料、界面和表面展开研究。
美国的其他研究机构和基础设施还包括美国能源部的高级计算科学研究中心、能源前沿研究中心、能源科学网、橡树岭国家实验室的国家计算科学中心及橡树岭领先计算设施(OLCF)、阿贡国家实验室的领先计算设施(ALCF)、劳伦斯伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心、麻省理工学院材料科学与工程院材料科学计算与分析组、北卡罗来纳州立大学、桑迪亚国家实验室、康奈尔大学先进计算中心计算材料研究所等。欧盟及其成员国
欧盟第七框架计划下的“纳米科学、纳米技术、材料与新制造技术”(NMP)主题研究领域，在其最新工作计划“Work Programme 2012”中并没有将材料的计算、模拟等技术单独列出，但是，该计划仍然认为，无论纳米科技还是其他材料，表征、设计、建模与模拟等技术对于理解和控制材料性质都非常重要，并在工程纳米粒子的毒性研究、纳米材料的精确合成、多材料复合、自修复材料、高温电厂用先进材料、离岸风涡轮机叶片材料等领域提到了材料的设计和建模概念。
欧洲科学基金会下的“研究网络计划”中，有关材料模拟的计划有“材料从头计算模拟先进概念计划”、“生物系统与材料科学的分子模拟”计划等。前者致力于开发凝聚态材料在原子层级的“从头计算”计算方法；后者关注开发计算工具，用于了解生物系统以及人工纳米材料的介观结构。
欧盟的研究机构包括英国科学与技术设施委员会计算科学工程部、英国爱丁堡大学凝聚态物理研究组、英国苏塞克斯大学理论化学与计算材料研究组、法国国家科学研究中心、德国马普钢铁研究所等。
英国科学与技术设施委员会计算科学工程部主要研究计算生物学、计算化学、计算工程、计算材料等，在材料性能的计算机模拟方面，重点是第一性原理计算模拟方法，与英国工程和自然科学研究委员会开展了表面界面合作计算项目、全球同步加速器研究理论网络开发方法、平面波赝势方法与高性能计算机等。英国爱丁堡大学凝聚态物理研究组下设统计力学与计算材料物理方向，其主要研究领域有材料缺陷和纳米结构、分子物理、非平衡相变等。英国苏塞克斯大学理论化学与计算材料研究小组主要进行富勒烯等大分子的密度泛函模拟、金属离子系统、原子与分子碰撞理论等研究。
法国国家科学研究中心提出位错动力学方法用于实际材料的变形，如疲劳、蠕变等，并对大量位错的自组织结构的形成机制及其对力学性质的影响进行了细致研究，给出整体位错群的结构演化，可同时处理大量位错的集体行为。该方法已成功应用于研究晶体辐射损伤缺陷对材料强度的影响，塑性形变局域化等的形成机制。通过这类位错动力学模型，人们对位错集体行为获得了更深入的了解。
德国马普钢铁研究所在计算材料设计方面的主要研究有：多尺度从头计算，半导体纳米结构电子和光学性能多尺度模拟，金属储氢第一性原理研究，表面和相图中被吸附相的从头计算研究，铁铝合金第一性原理研究，生物钛合金相稳定和机械性能研究，铁结构与磁性的从头计算，铁材料中C-C相互作用的第一性原理研究，形状记忆合金温度效应的从头计算研究等。日本
日本的材料计算模拟研究与材料开发相结合的特色突出，日本文部科学省和经济产业省均部署了相关的战略和计划。日本国立材料科学研究所、产业技术综合研究所、东京大学、东北大学等各研究机构均有专门研究中心和团队。
日本文部科学省2002年启动了“生产技术先进仿真软件”的开发，目的是在纳米生物技术、能源和环境领域开发出世界一流的软件。研究课题包括：(1)下一代量子化学模拟；(2)量子分子相互作用分析；(3)纳米级器件模拟；(4)下一代流体动力学模拟；(5)下一代结构分析；(6)问题解决环境平台；(7)中间件高性能计算。2009年文部科学省和经济产业省联合推行“分子技术战略”，主要研究课题包括电子状态控制、形态结构控制、集成和合成控制、分子离子传输控制、分子变换技术、分子设计与创造技术等。
日本科学技术未来战略研讨会提议的“间隙控制材料利用技术”研究于2009年10月26日起实施。“间隙控制材料设计和利用技术”是本计划的重要研究课题，主要有3项研究内容：(1)间隙控制材料设计与合成：优化性能；(2)间隙技术的实现差距：促进应用；(3)通用平台技术：观察分析技术、原理。文部科学省“实现能源安全的纳米结构控制材料研究和开发”战略、“柔性、大面积、轻量、薄型器件基础技术研究开发”等项目都涉及材料计算设计和模拟。
日本的主要研究机构包括日本产业技术综合研究所计算科学研究所、日本理化学研究所、日本国立材料科学研究所、东京大学计算材料科学实验室、东北大学材料计算中心等。
日本产业技术综合研究所下设计算科学研究所，主要研究方向有纳米科学与技术的模拟技术、计算机辅助材料设计、能源与环境模拟技术、生物模拟技术、模拟技术基础理论以及集成模拟系统。
日本理化学研究所设有先进计算科学研究所、仁科加速器研究中心、下一代超级计算机研发中心等。计算材料科学中心重点开展纳米材料等新型材料的合成与模拟研究，主要有第一原理模拟、材料性能理论、热力学模拟等研究小组。
日本国立材料科学研究所结合高温钛合金、贵金属耐热合金、超级钢、纳米结构与分子开关等实验研究计划开展了深入、持续的计算材料设计研究。研究所设有计算材料科学中心，主要研究目标通过计算机模拟分析和预测材料的现象，多尺度分析裂纹扩展，纳米材料的仿真技术，材料超导电性和磁性等现象的理论认识，计算机模拟材料的辐射损伤，晶界和界面的分子动力学研究，材料设计虚拟实验平台系统。涉及金属间化合物，材料的表面/界面科学，纳米材料，材料科学的计算机设计与仿真，分子动力学，新材料的超导性理论，纳米器件材料，超高频波装置，发展先进的仿真技术，高温超导体，计算机模拟方法，纳米技术材料，热障涂层材料，材料设计系统的显微结构和性能，计算机模拟的微观组织形成等。
东京大学计算材料科学实验室的主要研究领域包括计算材料科学、计算材料工程、计算凝聚态物理、计算化学等。使用的材料计算方法主要有从头计算、分子动力学和紧束缚方法等。东京大学物性研究所的材料设计与表征研究室也主要进行新材料材料的设计、合成与表征。主要包括两个研究部门：材料设计部和材料合成与表征部。
东北大学材料计算中心改进计算精度和新型纳米结构与分子器件设计等方面开展了深入的研究工作。金属材料研究所下设材料设计研究部，有晶体缺陷物理、高纯金属材料、材料计算模拟、核辐射效应及相关材料、核材料科学、核材料工程、电子材料物理、先进电子材料科学等研究组。其中材料计算模拟研究组由川添(Kawazoe)教授领导，该小组主要进行凝聚态物理、量子化学、材料科学领域软件的开发和应用。新加坡
新加坡的材料计算与模拟主要研究机构有新加坡高性能计算研究院、南洋理工大学计算材料科学研究等。
计算材料科学与工程是新加坡高性能计算研究院的主要研究领域。主要任务是预测、探索和认识材料的根本性质和结构，通过采用新的计算办法，开展原子建模、分子模拟、材料信息学等基础研究，以开发先进的电子产品、绿色能源和材料。其开发的APEX(Advanced Proce Expert)数据挖掘技术已被用于解决工业问题。研究内容包括：计算化学、多尺度建模、固态电子学和纳米结构等。具体研究方向包括：(1)固体氧化物燃料电池集流器；(2)贮氢(锂离子氮化)；(3)生化过程模拟；(4)微生物燃料电池的过程建模与设计；(5)燃料电池系统与新燃料的模型开发；(6)紫外/蓝光发光二极管；(7)多铁性材料；(8)硅纳米线；(9)自旋电子学；(10)界面研究；(11)铁电聚合物的多尺度建模模拟；(12)InxGa1-xN合金的热力学研究；(13)分子电子学研究；(14)光催化剂；(15)固体氧化物燃料电池。
南洋理工大学材料科学与工程学院计算材料科学研究组主要开发和利用模拟软件来预测、解释和探索材料的特性、结构和行为，研究的材料包括自组装体系、半导体、形状记忆合金、金属间化合物等，研究的过程和现象包括薄膜沉积、热处理、扩散、塑性变形、裂纹、孪晶和晶粒生长。具体领域研究领域包括：(1)功能材料的多尺度建模；(2)自组装系统的形态预测；(3)基于蒙特卡罗模拟的晶粒生长计算机建模；(4)形状记忆合金孪晶的孪生和去孪生过程计算机模拟；(5)半导体内部和表面扩散；(6)硅外延生长分子动力学模拟；(7)半导体和金属中的裂纹扩展；(8)半导体位错的动力学蒙特卡罗模拟；(9)开发新型液晶高分子材料作为工程热塑料的加工助剂。对我国的启示和建议
许多国家都加大了材料理论与计算设计方面研究的人力和财力的投入，都在争夺该领域某个方面的领先地位和知识产权。计算和模拟对材料研究具有两方面的重要作用：(1)为高技术新材料研制提供理论基础和优选方案，对新型材料与新技术的发明产生先导性和前瞻性的重大影响；(2)促进材料科学与工程由定性描述跨入到定量预测阶段，提高材料性能和质量，大幅缩短从研究到应用的周期，对经济发展和国防建设做出重要贡献。
概括来说，国外的材料计算与模拟研究进展对我国的启示和建议有以下几点：(1)重视前瞻布局，大型、高性能计算设施，包括软件、应用程序和数据管理工具的开发，以及智能/功能材料、结构材料、电子材料、纳米结构材料、生物材料等数据库的建设；(2)开发材料集成计算与模拟工具、计算基础设施，助力高级科学发现；(3)建立服务国家战略和需求的学科领域项目计划，解决社会重大问题；(4)借鉴国外经验，加强国际和国内合作等。
冯瑞华 姜 山 万 勇 编写
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