计算材料学

计算材料学（Computational Materials Science），是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，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，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。随着科学技术的发展，科学研究的体系越来越复杂，传统的解析推导方法已不敷应用，甚至无能为力。计算机科学的发展和计算机运算能力的不断提高，为复杂体系的研究提供了新的手段。以材料这样一个典型的复杂体系为研究对象的新学科— 计算材料科学也应运而生，并迅速得到发展。

对于复杂体系，由于理论研究往往不能给出解析表达，或者即使能够给出解析表达也常常不能求解，因此也就失去了对实验研究的指导意义。反之，失去了理论指导的实验研究，也只能在原有的工作基础上，根据科研人员的经验理解、分析与判断，在各种工艺条件下反复摸索，反复实验。之所以造成理论研究和实验研究相互脱节的根本原因并不在于理论和实验本身，而是由于人们为了追求能够全面而准确地反映客观实际，使理论模型变得十分复杂，无法直接解析求解。计算材料科学的发展无论是在理论上还是在实验上都使原有的材料研究手段得以极大的改观。它不仅使理论研究从解析推导的束缚中解脱出来，而且使实验研究方法得到根本的改革，使其建立在更加客观的基础上，更有利于从实验现象中揭示客观规律，证实客观规律。因此，计算材料科学是材料研究领域理论研究与实验研究的桥梁，不仅为理论研究提供了新途径，而且使实验研究进入了一个新的阶段。

研究体系的复杂性表现在多个方面，从低自由度体系转变到多维自由度体系，从标量体系扩展到矢量、张量系统，从线性系统到非线性系统的研究都使解析方法失去了原有的威力。因此，借助于计算机进行计算与模拟恰恰成为唯一可能的途径。复杂性是科学发展的必然结果，计算材料科学的产生和发展也是必然趋势，它对一些重要科学问题的圆满解决，充分说明了计算材料科学的重要作用和现实意义。

计算材料科学涉及的学科领域极广，并渗透到诸多方面。计算材料科学除数值计算以外，还有许多的应用领域，其中计算机模拟是一个潜力巨大的发展方向。

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。前者使材料研究不是停留在实验结果和定性的讨论上，而是使特定材料体系的实验结果上升为一般的、定量的理论，后者则使材料的研究与开发更具方向性、前瞻性，有助于原始性创新，可以大大提高研究效率。因此，计算材料学是连接材料学理论与实验的桥梁。