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页数:295

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出版时间:2008-1

价格:29.80元

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isbn号码:9787030208767

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现代材料科学前沿：从原子尺度到宏观性能的跨越 本书导读： 在二十一世纪的科技浪潮中，新材料的发现与应用无疑扮演着驱动社会进步的核心角色。本书《现代材料科学前沿：从原子尺度到宏观性能的跨越》，旨在为高年级本科生、研究生以及材料研发领域的专业人士提供一个全面、深入且富有洞察力的视角，探讨当代材料科学最活跃的研究领域、核心理论框架及其前沿技术应用。我们聚焦于那些尚未被传统教材充分覆盖，却正深刻影响信息技术、能源存储、生物医学等关键产业的尖端知识体系。 第一部分：基础理论的深化与拓展 本部分不再重复介绍晶体学基础或经典热力学定律，而是直接切入现代材料科学研究中至关重要的微观机制分析。 第一章：量子力学在材料结构预测中的应用 本章深入探讨密度泛函理论（DFT）在预测复杂合金、半导体异质结及二维材料电子结构中的最新进展。重点讲解如何选择合适的交换关联泛函以准确描述强关联体系（如过渡金属氧化物）中的电子行为。内容涵盖自洽场计算流程、能带结构计算的精确性校准，以及如何利用第一性原理计算模拟缺陷工程对材料光学和电学性能的调控效应。特别引入了基于机器学习势能面（Machine Learning Potentials）的构建方法，实现原子尺度的快速动力学模拟。 第二章：非平衡态热力学与相变动力学 传统热力学主要关注平衡态，而本章则聚焦于材料在极端条件（超快激光辐照、高应变率冲击）下的动态演化。详细解析了非平衡态统计力学的基本假设，并阐述了激发态原子弛豫过程中的能量转移机制。着重讨论了快速凝固过程中形成的非晶态结构，以及形核与界面能的非经典关系。本章将结合相场模拟（Phase-Field Modeling）的最新算法，展示如何宏观描述微观尺度的复杂相分离过程。 第三部分：功能材料的突破性进展 本部分集中介绍了当前极具潜力的新型功能材料体系及其独特的物理现象。 第三章：拓扑材料：维度边界的电子态 拓扑材料是凝聚态物理的前沿热点。本章系统梳理了拓扑绝缘体（TI）、拓扑半金属（如狄拉克和外尔半金属）的理论基础，如时间反演对称性保护下的表面态和边缘态。通过晶体对称性分析，详细讲解了如何通过外部应力或掺杂实现拓扑相变的判据。内容将涉及新型二维拓扑材料的合成挑战，以及如何利用扫描隧道显微镜（STM）直接成像和探测其非平庸的电子边缘态。 第四章：能源转换材料的界面工程 本章聚焦于高效能源存储与转换领域，特别是电池电极材料和光电催化剂的最新进展。在固态电池方面，深入分析了固-固界面处离子传输的动力学瓶颈，包括空间电荷层的形成机理及其对电化学性能的影响。对于光电催化，重点阐述了等离激元增强效应（Plasmon-Enhanced Effects）在可见光驱动水分解和二氧化碳还原中的应用，涉及贵金属纳米颗粒与半导体载体之间的耦合机制研究。 第五章：先进高熵合金的结构与性能调控 高熵合金（HEAs）以其“高混乱”的结构特性，打破了传统合金设计的范式。本章探讨了高熵体系中固溶强化、疲劳寿命提升的微观基础。重点分析了局部结构无序性对位错运动、晶界扩散速率的复杂影响。引入了机器学习方法在快速筛选具有优异蠕变性能的高熵合金体系中的应用实例，包括对“不相容”元素在晶格中偏离随机分布（VIPER效应）的量化分析。 第三部分：先进表征技术与计算模拟的融合 本部分强调了现代科学研究中实验观测与理论计算的协同作用。 第六章：同步辐射与中子散射在动态过程中的应用 本章侧重于如何利用高亮度光源（如同步辐射X射线）和高穿透性探针（中子）来实时监测材料在工作状态下的结构演化。详细介绍小角X射线散射（SAXS）和广角X射线吸收谱（XAS）在原位电池充放电循环中电极材料微观结构变化的追踪技术。中子衍射在研究轻元素（如氢、锂）的扩散路径和局域结构中的独特优势也将被深入探讨。 第七章：原子尺度成像与谱学的突破 聚焦于最新一代透射电子显微镜（TEM）技术。详细介绍球差校正电镜（Cs-corrected TEM）在分辨亚埃级位错核心结构、晶界原子排列上的能力。特别关注同步光束增强的HAADF-STEM技术，如何实现对单原子催化位点的精确识别与电子态分析。同时，结合电子能量损失谱（EELS）的空间分辨率，讲解如何绘制材料内部的电荷密度图谱。 第八章：跨尺度模拟的集成化 本章探讨如何有效地连接不同尺度的计算模型。从第一性原理计算获得的精确势能参数，如何被用于构建分子动力学（MD）模拟，进而影响介观尺度的相场模型。重点讨论多尺度建模中数据桥接与误差传递的处理策略，特别是如何将晶格缺陷的演化信息，通过特定的宏观本构关系嵌入有限元分析（FEA）框架中，以更真实地模拟工程部件的服役性能。 结语：面向未来的材料设计哲学 本书的最终目标是引导读者超越对单一材料特性的理解，建立起一套系统化的、以原子尺度调控为核心的材料设计哲学。通过对前沿理论、尖端实验和复杂模拟的整合学习，读者将能够具备识别关键科学瓶颈、设计下一代高性能功能材料的能力。本书内容更新紧跟国际顶尖期刊的最新成果，力求为读者提供最具时效性和挑战性的学术视野。

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