淺述第一性原理內(nèi)容及應(yīng)用

1、淺述第一性原理內(nèi)容及應(yīng)用淺述第一性原理內(nèi)容及應(yīng)用計算材料學，是材料科學與計算機科學的交叉學科，是一門正在快速發(fā)展的新興學科，是利用計算對材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能以及服役性能進行計算機模擬與設(shè)計的學科。它涉及材料、物理、計算機、數(shù)學、化學等多門學科。計算材料學主要包括兩個方面的內(nèi)容：一方面是計算模擬，即從實驗數(shù)據(jù)出發(fā)，通過建立數(shù)學模型及數(shù)值計算，模擬實際過程；另一方面是材料的計算機設(shè)計，即直接通過理論模型和計算，預(yù)測或設(shè)計材料結(jié)構(gòu)與性能。前

2、者使材料研究不僅僅停留在實驗結(jié)果和定性的討論上，而是使特定材料體系的實驗結(jié)果上升為一般的、定量的理論；后者則使材料的研究與開發(fā)更具方向性、前瞻性，有助于原始性創(chuàng)新，可以大大提高研究效率。因此，計算材料學是連接材料學理論與實驗的橋梁。1.第一原理的發(fā)展背景材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能、服役性能是材料研究的四大要素。傳統(tǒng)的材料研究以實驗室研究為主，是一門實驗科學。但是，隨著對材料性能的要求不斷提高，材料學研究對象的空間尺度在不斷變小，只對微米級的

3、顯微結(jié)構(gòu)進行研究已經(jīng)不能揭示材料性能的本質(zhì)，納米結(jié)構(gòu)、原子像已成為材料研究的內(nèi)容，對功能材料甚至需要研究到電子層次。因此，材料研究越來越依賴于高端的測試技術(shù)，研究難度和成本也越來越高。另外，服役性能在材料研究中越來越受到重視，服役性能就是要研究材料與服役環(huán)境的相互作用及其對材料性能的影響。隨著材料應(yīng)用環(huán)境的日益復雜化，材料服役性能的實驗室研究也變得越來越困難?？傊瑑H僅依靠實驗室的實驗來進行材料研究已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代新材料研究和發(fā)展的要求

4、。然而計算機模擬技術(shù)可以根據(jù)有關(guān)的基本理論，在計算機虛擬環(huán)境下從納觀、微觀、介觀和宏觀的不同尺度對材料進行多層次研究，也可以模擬超高溫、超高壓等極端環(huán)境下的材料服役性能，模擬材料在服役條件下的性能演變規(guī)律、失效機理，進而實現(xiàn)材料服役性能的改善和材料設(shè)計。因此，在現(xiàn)代材料學領(lǐng)域中，計算機“實驗”已成為與實驗室實驗同樣重要的研究手段，而且隨著計算材料學的不斷發(fā)展，第一原理的作用會越來越大。__第一性原理，英文FirstPrinciple，是

5、一個計算物理或計算化學專業(yè)名詞，廣義的第一性原理計算指的是一切基于量子力學原理的計算。從頭算（abinitio）是狹義的第一性原理計算，它是指不使用經(jīng)驗參數(shù)，只用電子質(zhì)量，光速，質(zhì)子中子質(zhì)量等少數(shù)實驗數(shù)據(jù)去做量子計算。但是這個計算很慢，所以就加入一些經(jīng)驗參數(shù)，可以大大加快計算速度，當然也會不可避免的犧牲計算結(jié)果精度。作為評價事物的依據(jù)，第一性原理和經(jīng)驗參數(shù)是兩個極端。第一性原理是某些硬性規(guī)定或推演得出的結(jié)論，而經(jīng)驗參數(shù)則是通過大量實例得

6、出的規(guī)律性的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以來自第一性原理(稱為理論統(tǒng)計數(shù)據(jù))，也可以來自實驗(稱為實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù))。但是就某個特定的問題，第一性原理和經(jīng)驗參數(shù)沒有明顯的界限，必須特別界定。如果某些原理或數(shù)據(jù)來源于第一性原理，但推演過程中加入了一些假設(shè)(這些假設(shè)當然是很有說服力的)，那么這些原理或數(shù)據(jù)就稱為“半經(jīng)驗的”根據(jù)原子核和電子互相作用的原理及其基本運動規(guī)律，運用量子力學原理，從度泛函理論（DFT）計算。也有人主張，abinitio專指從頭算，而