Molecular Modeling Techniques in Material Sciences pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Hill, Jorge Rudiger

出品人:

页数:328

译者:

出版时间:2005-3

价格:$ 143.45

装帧:

isbn号码:9780824724191

丛书系列:

图书标签:

• Molecular Modeling
• Material Sciences
• Computational Materials
• Materials Chemistry
• Quantum Chemistry
• Density Functional Theory
• Molecular Dynamics
• Monte Carlo
• Materials Simulation
• Nanomaterials

新书预告：《微观尺度下的结构与性能：先进材料的计算模拟与设计》 深度剖析与前沿应用并重，开启材料科学计算模拟新纪元 图书简介 随着材料科学的飞速发展，对物质世界在原子、分子乃至纳米尺度上的理解已成为推动技术创新的核心驱动力。本书《微观尺度下的结构与性能：先进材料的计算模拟与设计》旨在为研究人员、工程师以及高年级本科生和研究生提供一个全面、深入且实用的指南，聚焦于如何运用先进的计算模拟技术，揭示复杂材料体系的内在规律，并指导新型功能材料的理性设计与合成。 本书的独特之处在于，它不仅系统梳理了计算材料科学领域的核心理论基础，更将重点放在如何将这些理论转化为解决实际工程和科学难题的工具。全书内容紧密围绕“结构-性能”关系的微观解析展开，涵盖了从量子力学方法到经典分子模拟的广阔技术谱系，并特别强调了如何将这些计算结果与实验观测有效结合。 --- 第一部分：计算材料科学的理论基石与方法论 本部分为读者搭建了坚实的理论框架，确保读者能够深刻理解所使用的计算模型的物理意义和适用范围。 第一章：材料模拟的层次与尺度 本章首先界定了计算材料科学的范畴，区分了不同尺度的模拟方法——从电子结构到介观尺度的必要性。我们将详细探讨多尺度建模（Multiscale Modeling）的必要性和实现路径，解释不同方法（如量子力学、分子动力学、蒙特卡洛）如何衔接，以应对从皮秒到微秒，从埃米到微米跨越的复杂系统。着重讨论尺度耦合（Scale Bridging）的技术挑战与最新进展。 第二章：密度泛函理论（DFT）的深入应用 DFT是当前计算材料结构预测的黄金标准。本章将超越基础的 Kohn-Sham 方程介绍，聚焦于实际应用中的关键技术。我们将详尽解析各种泛函的选择对计算结果（尤其是能量、几何结构和电子性质）的影响，重点讨论非局域性（Non-locality）的引入，如混合泛函和元泛函（Meta-GGA）在处理过渡金属氧化物、缺陷工程和界面电子结构方面的优越性。此外，对范德华（vdW）修正和Hubbard U项的引入与参数化进行详尽的案例分析，以准确模拟范性键合体系。 第三章：经典分子模拟：力场构建与动力学 对于涉及大尺度和长时间尺度的体系，经典分子动力学（MD）是不可或缺的工具。本章核心在于高精度力场（Force Field）的构建与验证。我们将深入探讨原子内（Intra-molecular）和原子间（Inter-molecular）相互作用势的数学形式、参数化过程（如基于量子化学数据或实验数据的拟合）。内容涵盖： 增强采样技术（Enhanced Sampling）：如Metadynamics、Umbrella Sampling，用于克服势能面上的高能垒，准确计算自由能景观。 非平衡态模拟：探讨如何模拟材料在极端条件（高温、高压、强剪切）下的响应，如材料的断裂、粘弹性行为。 --- 第二部分：面向特定材料体系的计算策略 本部分将理论方法与具体的材料体系相结合，通过详尽的案例展示计算模拟如何指导材料的发现和优化。 第四章：晶体结构预测与缺陷工程 理解晶体材料中的点缺陷、线缺陷和界面结构是控制其宏观性能的关键。本章重点介绍如何利用计算超胞方法精确计算缺陷的形成能、迁移能和电子能级。我们将详细讨论： 高熵合金（HEAs）的构型采样：使用蒙特卡洛方法结合能量评估来预测稳定的局部结构。 半导体材料中的掺杂效应：如何用DFT模拟精确量化掺杂原子对载流子迁移率和光电转换效率的调控。 晶界工程：利用共振或高角度晶界模型的构建，预测晶界对位错吸收和材料强度的影响。 第五章：软物质与复杂流体的界面现象 软物质（如聚合物、胶体、液晶）的性质高度依赖于其复杂的三维构象和界面行为。本章专注于使用分子动力学和介观模拟来解析这些系统： 聚合物构象与弛豫：通过计算径向分布函数（RDF）和自相关函数，解析玻璃化转变温度附近的链段运动机制。 电解质与电极界面的结构：在电池和电容器研究中，如何精确模拟离子溶剂化壳层结构、固体电解质界面（SEI）的形成过程，是实现高能量密度储能技术的计算前提。 第六章：催化剂与表面反应动力学 在多相催化领域，表面吸附、反应路径和过渡态的确定至关重要。本章深入探讨反应路径搜索的技术： 零位势能面（Zero-Point Energy）的修正：精确计算反应能垒。 基于熵的矫正：如何结合准谐波近似（QHA）修正高温下的热力学参数。 反应机理的验证：如何利用计算所得的活化能和吸附强度，与实验确定的反应级数进行交叉验证，从而确定最可能的反应机理。 --- 第三部分：数据驱动的计算材料学前沿 随着计算资源的爆炸式增长和机器学习算法的成熟，本部分探讨如何将高通量计算与人工智能相结合，加速材料的发现进程。 第七章：高通量计算与数据库构建 本章介绍高通量（High-Throughput, HT）计算的工作流，包括自动化输入生成、并行计算集群的有效管理，以及结果的自动解析和结构化存储。我们将展示如何构建一个可靠的材料属性数据库（Materials Database），为机器学习模型提供高质量的训练集。重点分析数据不确定性量化（Uncertainty Quantification, UQ）在筛选高通量结果中的重要性。 第八章：机器学习在材料预测中的集成 本章不再停留在基础的线性回归，而是聚焦于先进的材料信息学（Materials Informatics）模型在计算材料科学中的应用： 描述符（Descriptors）的选择与优化：如何从复杂的原子环境（如SOAP、CMF）中提取具有物理意义的特征向量，用于训练势函数（Machine Learned Potentials, MLPs）。 生成模型：利用变分自编码器（VAE）或生成对抗网络（GAN）辅助设计具有特定目标性能的新型晶体结构或分子结构。 --- 总结与展望 本书的最终目标是培养读者“用计算思维解决材料问题”的能力。我们相信，通过对这些前沿计算技术的掌握和批判性应用，未来的材料科学家将能够更高效地跨越“设计-合成-表征”的传统循环，加速下一代先进材料的研发进程。本书的每一个章节都配有精选的、来自顶尖期刊的关键案例和代码实现思路（非完整代码），以确保读者能将理论直接应用于实际研究中。

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这本书的结构组织方式很有趣，它似乎有意地将“静态结构计算”和“动态过程模拟”进行了模块化处理。对于那些主要关注材料电子结构和稳定性的用户来说，前几部分足够扎实；但对于关注动力学行为，比如扩散、相变速率的读者，后面的章节简直是如获至宝。我特别喜欢它对“时间尺度问题”的处理。作者非常坦诚地指出了，即使是最高效的MD模拟，在处理长程扩散或缓慢的原子重排时，其局限性是客观存在的，并随后介绍了如何结合粗粒化（Coarse-Graining）模型来突破这一瓶颈。这种对模拟方法固有缺陷的坦诚讨论，反而增加了我对作者的信任度。书中的插图虽然不多，但张张都是精髓，通常是一张图表就能清晰地解释一段复杂的物理学原理或一个模拟参数对结果的敏感性。如果你是那种喜欢通过阅读大量案例研究来学习新方法的读者，你可能会觉得这本书的实例略显抽象，因为它更侧重于“方法论”的提炼，而非具体的应用案例展示，但对于提升你的“建模思维”来说，这绝对是极具价值的。

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从整体的阅读体验来看，这本书的排版和术语的规范性做得非常出色，这在理工科专业书籍中是保证阅读流畅性的重要因素。我发现它在处理“尺度耦合”问题时，展现出了极高的前瞻性。比如，它探讨了如何将DFT计算得到的原子间相互作用势，通过高斯近似或更复杂的统计方法，迁移到需要更长程和更长时间尺度的经典MD模拟中去。这种跨尺度的思维贯穿全书，显示了作者对现代材料计算学科全貌的深刻理解。它不仅仅局限于单一工具的使用，而是将所有计算方法视为一个相互关联的工具箱。对于初次接触计算材料学的学生而言，这本书的挑战性在于它要求读者具备强大的知识迁移能力，它不会用简化的语言为你“保驾护航”，而是直接将你置于专业领域的核心，要求你快速适应高密度的信息输入。总而言之，这是一部严肃、深刻且极其实用的参考书，它教会你如何像一个真正的计算科学家那样去思考和设计模拟实验，而不是仅仅停留在软件操作层面。

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我是在一个高压力的项目中期阶段接触到这本书的，当时我们团队正因为模拟结果的收敛性问题焦头烂额。坦白说，我一开始对这本书抱有很高的期望，希望它能提供某种“银弹”式的解决方案。读下来后，我体会到这本书更像是一位经验极其丰富的导师，他不会直接告诉你代码的哪一行出了错，而是会循循善诱地引导你重新审视你的整个模拟流程的合理性。书中对于蒙特卡洛（MC）模拟在相平衡计算中的应用讲解得尤为透彻，特别是在处理复杂多相系统时，如何平衡计算成本与统计精度，作者给出了非常实际的权衡标准。我印象特别深的是关于自由能计算的一章，它并没有停留在经典的吉布斯自由能微扰（FEP）方法，而是深入剖析了更现代的热力学积分（TI）方法在非平衡态条件下的潜在陷阱，并配有实际案例来佐证。这本书的行文风格极其克制，几乎没有华丽的辞藻，每一句话都承载着明确的技术信息，这对于我这种追求效率的科研人员来说，是莫大的福音。它迫使我跳出软件界面的限制，去理解底层物理模型的局限性。

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这部作品的封面设计着实引人注目，那深邃的蓝色调配上银色的字体，立刻营造出一种严谨而前沿的学术氛围。我最初是被它简洁有力的书名所吸引，感觉它像是一把钥匙，能开启通往材料科学尖端计算方法的大门。然而，当我翻开前几页，深入阅读其目录和导论时，我发现它并没有过多纠缠于那些基础的量子化学方程推导，反而更像是一本高度实用的“操作手册”。作者似乎默认读者已经具备了扎实的物理化学基础，因此全书的重点放在了如何巧妙地应用和解释模拟结果。比如，书中关于分子动力学（MD）模拟中势能函数的选择和参数化的讨论，详尽到令人惊叹，不同类型的材料——从高分子到金属合金——所对应的能量最小化策略都有清晰的流程图指引。最让我感到惊喜的是，它并没有满足于介绍标准的模拟软件，而是花了相当大的篇幅探讨了如何利用脚本语言对模拟数据进行后处理，以提取出那些隐藏在海量轨迹文件中的物理意义，比如扩散系数、玻璃化转变温度的精确计算方法。对于那些渴望将理论知识快速转化为实际研究成果的材料工程师或研究生来说，这本书无疑是一份宝贵的资源，它教会你的不是“是什么”，而是“怎么做”和“为什么这样做最有效”。

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老实说，这本书的深度远超我预期的本科高年级参考书范畴，它更像是一本为刚入行或正在进行博士后研究的计算材料学家准备的进阶指南。它的难点不在于公式的复杂，而在于概念的精细区分。例如，在讨论密度泛函理论（DFT）的应用边界时，作者对不同交换关联泛函在预测带隙和结构弛豫时的系统误差进行了横向对比分析，这种对比极其微妙，直接影响到下游的宏观性能预测。我尤其欣赏它在“缺陷工程”模拟部分的处理方式。它没有简单地介绍空位或间隙原子的计算，而是着重讨论了如何有效地构建周期性边界条件下的缺陷模型，尤其是在处理界面或晶界这种非周期性结构时，边界效应的最小化策略，这在很多教科书中是常常被一带而过的关键技术点。这本书真正让你感到自己“掌握”了模拟技术，而不是仅仅“学会了使用”某个软件。读完后，你再去看那些发表在高影响力期刊上的模拟论文，会有一种豁然开朗的感觉，能够清晰地分辨出作者的模拟策略是否严谨，数据是否具有足够的可靠性支撑其结论。

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