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出版者:Springer

作者:Kaoru Ohno

出品人:

页数:344

译者:

出版时间:2000-05-16

价格:USD 152.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9783540639619

丛书系列:

图书标签:

• 材料科学
• 计算物理
• 凝聚态物理
• 材料建模
• 第一性原理
• 分子动力学
• 计算化学
• 材料设计
• 晶体结构
• 电子结构

探寻物质的奥秘：一场跨越科学与技术的旅程 《探寻物质的奥秘》是一部引人入胜的科学读物，它将带领读者踏上一段非凡的旅程，深入探索构成我们宇宙万物的基本物质，并揭示它们如何协同作用，塑造我们所见所感的世界。本书并非一本晦涩难懂的专业论文集，而是以一种清晰、直观且富有启发性的方式，将复杂的科学概念化繁为简，让每一个对此充满好奇心的读者都能领略到物质世界的迷人之处。 本书的主旨在于揭示“物质”这一概念的广度和深度，并以此为切入点，探讨其在不同尺度下的表现形式和行为规律。从微观的原子、分子尺度，到宏观的晶体、材料乃至星系的构成，我们都将一一深入。作者以严谨的科学态度为基础，却不乏生动形象的类比和引人入胜的故事，使得即便是对物理、化学、材料科学等领域不甚了解的读者，也能轻松跟上思路，并被其中蕴含的智慧所吸引。 在本书的开篇，我们将从最基础的物质构成单元——原子——出发。读者将了解到原子的内部结构，电子、质子和中子的奇妙世界，以及它们是如何通过电磁力相互吸引，形成各种各样的元素。本书将深入浅出地介绍元素周期表背后的规律，解释为何不同的元素会表现出截然不同的化学性质，以及它们是如何参与到构成我们生活中的一切物质的。 随后，我们将进入分子的领域。本书将详细阐述原子之间如何通过共价键、离子键等化学键相互连接，形成稳定而多样的分子。我们将看到，正是这些分子的组合，造就了我们熟悉的水、空气、土壤，以及构成我们身体的蛋白质、DNA等生命物质。作者将运用大量生动的实例，例如水的奇特性质、二氧化碳在大气中的作用，以及生命分子是如何构建和运作的，来帮助读者理解分子世界的精妙。 本书的重点之一将是“材料”。我们将跳出对“物质”作为基本构成要素的认知，转而关注它们是如何被组合、加工和改性，从而形成具有特定功能的“材料”。从古老的陶器、金属，到现代的高分子材料、纳米材料，本书将梳理材料科学的发展脉络，并介绍各种材料的制备原理、性能特点以及它们在各个领域的广泛应用。例如，我们将探讨金属的强度和延展性是如何被利用在建筑和交通工具上的，塑料的轻便和可塑性是如何改变我们的日常生活，而先进的半导体材料又是如何驱动着信息时代的飞速发展。 更进一步，本书将带领读者进入晶体结构的世界。许多物质以有序的晶体形式存在，它们的结构决定了其物理和化学性质。我们将学习如何描述和理解晶体的排列方式，例如立方体、六方体等，并了解晶格缺陷如何影响材料的力学、电学和光学性能。本书将结合实际应用，例如陶瓷的强度、宝石的光泽，以及金属的延展性，来解释晶体结构的重要意义。 本书的视角还将进一步拓展到“相变”这一令人着迷的现象。物质并非一成不变，它们会在温度、压力的影响下发生状态的改变，例如水的结冰、沸腾，金属的熔化、凝固。本书将深入探讨这些相变的微观机制，以及如何通过控制相变来优化材料的性能。例如，热处理技术在金属加工中的应用，便是利用相变原理来获得理想的材料特性。 除了对基本原理的阐述，本书还将关注物质在不同环境下的行为。我们将探讨材料在极端条件下的表现，例如高温、高压、腐蚀性环境等，并介绍科学家们如何设计和开发能够应对这些挑战的先进材料。这包括了对航空航天、能源、医疗等领域的关键材料的介绍，以及它们在推动人类进步中的作用。 本书并非仅仅罗列科学事实，更重要的是强调科学思维和探索精神。作者将通过介绍历史上重要的科学发现和发明，以及科学家们如何克服困难、探索未知的故事，来激发读者的兴趣和求知欲。本书将鼓励读者用批判性的眼光审视周围的世界，思考“为什么”和“怎么样”，并培养解决问题的能力。 总而言之，《探寻物质的奥秘》是一本集科学性、趣味性和启发性于一体的图书。它将带领读者穿越宏观与微观的界限，揭示物质世界的无穷魅力。无论您是科学爱好者，还是对世界充满好奇的学生，抑或是希望拓宽视野的社会大众，《探寻物质的奥秘》都将为您打开一扇通往知识殿堂的大门，让您深刻理解我们所处的世界是如何被物质所构建，以及人类如何通过认识和改造物质，不断创造更美好的未来。本书将让您在阅读的过程中，不仅增长见识，更能点燃您对科学探索的热情。

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这本书的排版和图表质量总体来说是令人满意的，印刷清晰，公式几乎没有出现错误。然而，在涉及三维可视化和复杂数据交互的部分，其局限性就暴露无遗了。例如，在讨论晶体缺陷的应力场分布或者电子局域态密度（DOS）的晶格位点依赖性时，书中只能依赖于静态的二维截面图或等值面图来展示。这种展示方式，对于理解原子尺度的空间几何关系和电子云的复杂结构而言，是远远不够的。我强烈希望作者能在配套的电子版资源中，提供一些可交互的3D模型或视频演示，让读者能够真正“沉浸式”地观察计算结果。目前的内容虽然严谨，但缺乏动态性和直观性，使得一些复杂的空间结构和电子性质的理解成本变得非常高昂。如果能辅以更现代的视觉传达工具，这本书的教学效果和对初学者的吸引力，将会有质的飞跃，而不仅仅是停留在静态的文字和图像描述层面。

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这本《计算材料科学》听起来确实是一本深入且极具前沿性的著作，我最近刚翻阅了它的一部分，感受颇丰，但也有一些期望落空的地方。首先，从内容深度上来说，它对第一性原理计算方法的介绍可谓是面面俱到，详述了密度泛函理论（DFT）如何从量子力学基石一步步演化为实际的材料模拟工具。书中对交换关联泛函的选择及其对不同材料体系（如金属、半导体、氧化物）预测精度的影响进行了细致的讨论，图表清晰，公式推导严谨。然而，对于计算流程的实际操作层面，比如如何高效地设置超胞、如何处理周期性边界条件下的收敛性问题，书中给出的“最佳实践”相对笼统，更偏向理论阐述而非手把手的指导。我原本期待能看到更多关于大规模并行计算（HPC）环境下，如何优化计算资源的分配，以及针对特定软件（如VASP或Quantum ESPRESSO）的脚本编写技巧。对于初次接触大规模材料模拟的研究生来说，这本书提供了坚实的理论框架，但缺乏将理论转化为实际计算结果的“桥梁”，这使得实践性略显不足，需要读者自行结合软件手册进行大量的摸索和调试。总体而言，它更像是一本高阶的理论教材，而非面向工程应用的“工具书”。

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阅读这本书的过程中，我发现它对实验数据的整合和验证部分几乎是空白的。计算材料科学的魅力恰恰在于它能够精确预测实验现象，并指导实验工作。然而，这本厚厚的著作中，关于如何将计算结果与高精度实验技术（如同步辐射X射线衍射、透射电镜原位表征等）进行直接、量化的对比分析的论述非常薄弱。例如，当计算预测出某种材料的缺陷激活能时，书中没有提供足够的指导，说明如何设计一个实验来精确测量或间接验证这个能量值，或者如何处理实验测量的误差范围对计算模型拟合的影响。这种“纯计算”的倾向使得这本书的适用范围被限制在了理论研究者的小圈子里。对于需要搭建“计算-实验”闭环的研究团队而言，缺乏对实验验证环节的系统性讨论，使得本书作为一座完整的知识桥梁而言，少了一条至关重要的腿。我期待看到更多关于不确定性量化（UQ）在材料模拟中的应用，以及如何基于计算结果优化实验方案的实例分析。

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这本书在介绍新兴的机器学习（ML）在材料发现中的应用时，显得有些保守和滞后。是的，我们承认它花了不少篇幅介绍了如何利用高斯过程回归（GPR）和神经网络来构建势能面，这部分对传统的量子化学方法来说是一个很好的补充。但是，当我们谈论“计算材料科学”的未来时，我们不能绕开如今材料基因组倡议（MGI）的核心技术——高通量计算筛选和深度学习模型的构建。书中对如何有效地生成、清洗和管理数以万计的计算数据，以及如何利用图神经网络（GNN）来直接学习晶体结构与性能之间的复杂关系，提及甚少，或者仅仅是蜻蜓点水式地抛出了几个概念。这种对当前计算材料科学热点领域的处理方式，让我感觉这本书的“时效性”打了折扣。对于希望跟上学科前沿，了解如何利用大数据和人工智能加速新材料发现流程的读者来说，这本书提供的视角略显陈旧，更侧重于对“传统”计算方法的巩固，而对“未来”的展望则显得笔墨不足。

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我对这本书的结构安排感到有些许困惑，它似乎更像是一系列独立主题的汇编，而非一个流畅的叙事。例如，它在一章中详尽探讨了分子动力学（MD）模拟的理论基础，特别是里奇-温伯格方程和各种力场的构建，内容详实到几乎可以作为MD模拟的专著来阅读。紧接着的下一章，画风突变，开始深入探讨相场（Phase-Field）模型在微观结构演化中的应用，这部分的重点完全转移到了连续介质力学和偏微分方程的数值解法上。虽然这些内容都属于广义的计算材料学范畴，但两者之间的过渡处理得并不自然，使得读者在跨越不同计算范式时，需要耗费额外的心力去重新调整思维模式。我特别希望看到如何将基于第一性原理计算得到的能量参数，有效地耦合进宏观的相场模型中，以实现跨尺度的模拟，这种连接在书中讨论得不够深入，显得比较割裂。如果作者能构建一个更清晰的、从原子尺度到介观尺度的计算方法演进链条，这本书的系统性和教学价值将会大大提升，不至于让读者感觉像是在同时阅读两三本不同领域教材的片段。

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