具体描述
Introduction to Computational Chemistry Second Edition provides a comprehensive account of the fundamental principles underlying different methods, ranging from classical to the sophisticated. Although comprehensive in its coverage, this textbook focuses on calculating molecular structures and (relative) energies and less on molecular properties or dynamical aspects. No prior knowledge of concepts specific to computational chemistry are assumed, but the reader will need some understanding of introductory quantum mechanics, linear algebra, and vector, differential and integral calculus.
好的，这是一本名为《材料科学中的计算方法与实践》的图书简介： --- 材料科学中的计算方法与实践 导言：跨越尺度的材料设计新范式 在二十一世纪，材料科学正经历着一场深刻的变革。从纳米器件的精细构建到宏观结构的高性能设计，对材料原子、电子和微观结构层面的深入理解，已成为推动技术进步的关键。然而，传统的实验方法往往受限于时间、成本和对极端条件的探索难度。《材料科学中的计算方法与实践》正是应运而生，它系统地梳理并深入讲解了现代计算工具如何成为材料研究不可或缺的“虚拟实验室”。 本书旨在为材料科学家、化学家、物理学家以及高年级本科生和研究生提供一套坚实的理论基础和实用的计算技能，使其能够利用先进的计算模拟技术来预测材料的性质、解释实验现象，并指导新材料的理性设计。我们不仅仅关注理论模型的推导，更着重于如何将这些模型应用于解决实际的材料科学难题。 第一部分：计算的基石——量子力学与结构预测 本部分聚焦于描述材料中电子行为的核心理论——量子力学，并阐述如何利用这些原理来确定材料的基态结构和电子性质。 第一章：量子化学基础与密度泛函理论（DFT）的精髓 本章深入探讨了解决多电子体系问题的核心——薛定谔方程的近似解法。我们将详细介绍变分原理、Hartree-Fock方法及其局限性。重点在于现代计算材料科学的基石——密度泛函理论（DFT）。我们将全面解析 Kohn-Sham 理论、交换关联泛函（LDA, GGA, Meta-GGA）的选择标准及其对计算精度的影响。此外，还将讨论泛函的选择对涉及弱相互作用（如范德华力）体系的修正必要性。 第二章：周期性体系的计算：晶体结构与能带理论 对于固体材料，周期性边界条件是描述其性质的关键。本章将集中讨论晶体结构表示（布拉维点阵、倒易点阵）、对称性操作及其在计算中的应用。重点讲解如何利用平面波基组或其它完备基组方法计算晶体结构优化、弹性常数、晶格振动（声子谱）以及电子能带结构。读者将学习如何解释能带图、态密度（DOS）以及如何利用计算结果预测材料是导体、半导体还是绝缘体，并探究其费米面附近的电子行为。 第三章：从第一性原理到特定材料的模拟 本章通过具体的案例展示第一性原理计算的应用。内容包括： 1. 缺陷工程： 如何在晶格中引入空位、间隙原子或取代型点缺陷，并精确计算其形成能和迁移势垒，这对于理解材料的稳定性和扩散过程至关重要。 2. 界面与表面物理： 模拟原子尺度的异质结、薄膜生长界面和材料表面吸附现象。重点讨论 Slab 模型和真空层设置的技巧，以及如何准确模拟表面重构。 3. 磁性材料的DFT处理： 探讨如何处理磁有序（铁磁性、反铁磁性）体系，以及如何利用自旋极化计算来确定磁矩和交换耦合常数。 第二部分：跨越尺度的模拟技术——从原子动力学到介观尺度 材料的性能往往在有限温度下由原子间的集体运动决定。本部分将引导读者掌握如何从微观运动推导出宏观热力学和输运性质。 第四章：分子动力学（MD）模拟：热力学与输运性质的探究 本章系统介绍分子动力学模拟的理论框架，包括牛顿运动方程的数值积分方法（如 Verlet 算法）。我们将深入分析势函数的选择与构建： 1. 势函数的类型： 从经验势（如 Lennard-Jones）到半经验势，再到基于第一性原理的势函数，例如拟合势（ReaxFF）和偶极修正的嵌入原子法（MEAM）。 2. 温度与压力控制： 详细讲解如何使用正则系综（NVT）和等温等压系综（NPT）的恒温器和振荡器，以模拟实际的实验条件。 3. 性质的计算： 如何利用时间平均法计算扩散系数（爱因斯坦关系或牛顿关系）、粘度、热导率等输运性质，以及如何计算热力学量如比热容。 第五章：蒙特卡洛（MC）模拟与统计热力学 本章探讨基于概率论的蒙特卡洛方法。重点介绍 Metropolis 算法及其在相变研究中的应用。我们将展示如何利用 MC 模拟来精确计算复杂的配分函数，用于确定相图、相变温度和混合焓，特别是在高维自由能面探索中的优势。 第六章：介观尺度的建模：相场法与有限元分析的结合 当材料的结构和功能依赖于微米甚至亚微米尺度的微观结构（如晶粒、畴壁）时，需要更宏观但仍能捕捉微观驱动力的模型。本章引入相场（Phase Field）方法，用于描述扩散、析出、晶粒生长等过程。我们将结合有限元方法（FEM）的框架，展示如何将量子计算得到的动力学参数和界面能，输入到介观模型中，从而预测宏观材料的微观组织演化和力学响应。 第三部分：面向应用的计算工具箱与数据科学 本部分关注如何将理论模型转化为实际可操作的流程，并引入现代数据科学方法来加速材料的发现过程。 第七章：常用计算软件包的使用与工作流程优化 本章侧重于实践技能。我们将对比当前主流的计算化学与材料科学软件包（如 VASP, Quantum ESPRESSO, LAMMPS 等）的优缺点，并指导读者建立高效的计算流程： 1. 输入文件构建与校验： 详细解析关键参数的设置，如截断能、K点采样、自洽场收敛标准。 2. 并行计算与资源管理： 介绍 MPI 和 OpenMP 在分子动力学和 DFT 计算中的应用，以及如何高效利用集群资源。 3. 结果分析与可视化： 学习使用专业的后处理工具（如 VESTA, Ovito）进行结构可视化、轨迹分析和谱图解析。 第八章：机器学习与高通量计算在材料发现中的融合 计算材料科学的未来在于自动化和数据驱动的探索。本章介绍如何利用计算数据构建高质量的训练集，以训练机器学习模型： 1. 特征工程（Descriptor Generation）： 如何从原子结构中提取对性能敏感的数学描述符，如 Coulomb 矩阵、原子环境向量（AEV）。 2. 模型构建与预测： 应用回归和分类算法（如高斯过程回归、神经网络）来快速预测晶格常数、反应能垒或特定拓扑结构的存在性。 3. 高通量虚拟筛选： 结合数据库（如 Materials Project）和自动化脚本，展示如何设计高通量计算流程，快速筛选出有前景的候选材料。 总结与展望 《材料科学中的计算方法与实践》不仅是一本理论手册，更是一份面向未来的实践指南。通过对量子力学、原子动力学和数据科学的系统整合，本书确保读者不仅理解“为什么”计算是必要的，更掌握“如何”有效地利用这些工具解决复杂的、跨尺度的材料科学挑战。掌握这些计算技能，将使研究者能够以前所未有的精度和速度，推动下一代功能材料的研发进程。 ---
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