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(jì)算材料學(xué)，是材料科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)的交叉學(xué)科，是一門(mén)正在快速發(fā)展的新興學(xué)科，是利用計(jì)算對(duì)材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能以及服役性能進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬與設(shè)計(jì)的學(xué)科。它涉及材料、物理、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、化學(xué)等多門(mén)學(xué)科。計(jì)算材料學(xué)主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一方面是計(jì)算模擬，即從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計(jì)算，模擬實(shí)際過(guò)程；另一方面是材料的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，即直接通過(guò)理論模型和計(jì)算，預(yù)測(cè)或設(shè)計(jì)材料結(jié)構(gòu)與性能。前

2、者使材料研究不僅僅停留在實(shí)驗(yàn)結(jié)果和定性的討論上，而是使特定材料體系的實(shí)驗(yàn)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(kāi)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(jì)算材料學(xué)是連接材料學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室研究為主，是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)。但是，隨著對(duì)材料性能的要求不斷提高，材料學(xué)研究對(duì)象的空間尺度在不斷變小，只對(duì)微米級(jí)的

3、顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)功能材料甚至需要研究到電子層次。因此，材料研究越來(lái)越依賴(lài)于高端的測(cè)試技術(shù)，研究難度和成本也越來(lái)越高。另外，服役性能在材料研究中越來(lái)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(duì)材料性能的影響。隨著材料應(yīng)用環(huán)境的日益復(fù)雜化，材料服役性能的實(shí)驗(yàn)室研究也變得越來(lái)越困難?？傊瑑H僅依靠實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行材料研究已經(jīng)難以滿(mǎn)足現(xiàn)代新材料研究和發(fā)展的要求

4、。然而計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可以根據(jù)有關(guān)的基本理論，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下從納觀、微觀、介觀和宏觀的不同尺度對(duì)材料進(jìn)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(jī)理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料服役性能的改善和材料設(shè)計(jì)。因此，在現(xiàn)代材料學(xué)領(lǐng)域中，計(jì)算機(jī)“實(shí)驗(yàn)”已成為與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)同樣重要的研究手段，而且隨著計(jì)算材料學(xué)的不斷發(fā)展，第一原理的作用會(huì)越來(lái)越大。__第一性原理，英文FirstPrinciple，是

5、一個(gè)計(jì)算物理或計(jì)算化學(xué)專(zhuān)業(yè)名詞，廣義的第一性原理計(jì)算指的是一切基于量子力學(xué)原理的計(jì)算。從頭算（abinitio）是狹義的第一性原理計(jì)算，它是指不使用經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)去做量子計(jì)算。但是這個(gè)計(jì)算很慢，所以就加入一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，可以大大加快計(jì)算速度，當(dāng)然也會(huì)不可避免的犧牲計(jì)算結(jié)果精度。作為評(píng)價(jià)事物的依據(jù)，第一性原理和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)是兩個(gè)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(yàn)參數(shù)則是通過(guò)大量實(shí)例得

6、出的規(guī)律性的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以來(lái)自第一性原理(稱(chēng)為理論統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))，也可以來(lái)自實(shí)驗(yàn)(稱(chēng)為實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))。但是就某個(gè)特定的問(wèn)題，第一性原理和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)沒(méi)有明顯的界限，必須特別界定。如果某些原理或數(shù)據(jù)來(lái)源于第一性原理，但推演過(guò)程中加入了一些假設(shè)(這些假設(shè)當(dāng)然是很有說(shuō)服力的)，那么這些原理或數(shù)據(jù)就稱(chēng)為“半經(jīng)驗(yàn)的”根據(jù)原子核和電子互相作用的原理及其基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律，運(yùn)用量子力學(xué)原理，從度泛函理論（DFT）計(jì)算。也有人主張，abinitio專(zhuān)指從頭算，而