关于对计算材料学的认识

关于对计算材料学的认识

前言：从接触计算材料学并思考计算材料学对材料研究者的影响开始，已经有差不多两个多月了，这期间看了10篇science上的评论、一个计算材料学白皮书，还有k和p帮助而接触到castep，从而对上面的那个问题有了一点认识。

任何一门学科的发展都不是封闭的，除了对自身理论体系和应用领域的完善和拓展外，还应该借鉴和吸收其他学科的研究成果和方法，从而给自身的发展带来新的活力。材料科学与工程当然也不例外，凝聚态物理和计算机强大的处理能力的引入是计算材料学产生的基础。
计算材料学以凝聚态物理为理论基础，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。量子力学的研究对象之一是原子，而原子的排列可以决定物质的性质，因此原则上知道了就可以根据量子力学原理计算材料的各方面性质，但实际上这种计算是很难实现的。密度泛函等理论和计算机处理能力的提高使从原子尺度开始计算材料的性能有了很大可能。1999年的计算材料学白皮书举出的九个例子是（1）低温下材料磁性的第一性计算、（2）金刚石熔化的紧束缚近似分子模拟、（3）马氏体相变的原子模拟、（4）材料断裂的模拟、（5）多晶铝晶粒的超塑性滑移、（6）对称双嵌段共聚物的界面行为、（7）金属辐射损伤的原子模拟、（8）三维凝固过程中枝晶组织的模拟、（9）金属加工工艺中微观组织的变化。另外，那个白皮书的副标题是A Scientific Revolution about to Materialize，书中（实际上只有23页）也提到计算材料学不是evolution，而是revolution。
计算材料学不只可以对材料的性能进行预测，从对研究人员的要求来讲，也正改变着材料研究的方式。材料研究的一个主要内容是合成符合在特定环境下具有特殊性能的材料，以前的研究方法是“炒菜式”（by trial and error）的，材料研究者的方法更多的是靠的直觉和经验，然后在实验中试一试，如果达不到要求，就再试，一直按这个循环直至“疲劳”（取自“做了材料疲劳实验，材料没疲劳人先疲劳了”）或达到预期目的。计算材料学可以计算特定环境下材料结构和性能的对应关系，从而对材料的工艺提供指导，炒菜的方式需要在这种design方式不成熟的方面继续发挥作用。
材料研究的方式正在有炒菜向design发生转变。作为一个学材料的，该怎么做呢？是继续炒菜还是design或者两个都做？估计传统的研究方式还会在一个很长的时间内（估计20年左右）保持重要的地位（有一部分要归功于那些所谓的权威），但是之后呢，炒菜在某些情况下是必须的，但它会花费很多时间和money，也许某些人会感觉这个不合算。而design的人们呢，他们的理论基础好，明白计算的原理和不同情况下的计算方法，借助计算机，就可以根据实际情况计算了。J说过很多做凝聚态的都转到材料了，原因是凝聚态不好做而材料好做且他们有优势。
那么，答案就是作材料的要更物理，也就是作材料的要抓住这个研究方式带来的机遇，加强理论基础，将研究方式转变为炒菜+design，等到计算材料学比较成熟了，就采用design+炒菜。有了这样的经历，就比较容易成为大大老板（有比较多的学生，一半炒菜，一半design）了。同样的理由，做物理的也要更材料。
然而，作材料的工科生怎么办？选择继续炒菜当然可以，估计生活水平应该不错，但可能有时候会比较郁闷。要做大大老板，有一点小困难，那就是自信，敢不敢相信自己能够赶上或超过那些理科材料或凝聚态的，如果有足够的信心，加上勤奋，做大大老板是很可能的事。对工科生来说，由于design的出现，材料可能并不像以前那样具有挑战性了，如果想要挑战和自我实现，我觉得change field比较明智，因为design太强了，对材料的那个方向都会有影响。
建议亲自读一读Computational Materials Science（1999，由http://www.qiji.cn/eprint/abs/374.html下载），做出自己的判断，免得我误人子弟。

最后，大学只是一个体验学习过程的过程，专业只是学习的内容，不要被它限制得什么都不敢做。还有一篇中国工程院外籍院士何毓琦的博文《改变研究方向与领域》（http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=23465）也是很有启发性的。

Enoon