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出版者:

作者:Curtiss, L. a.; Gordon, M. S.;

出品人:

页数:384

译者:

出版时间:

价格:1837.50

装帧:

isbn号码:9781402017674

丛书系列:

图书标签:

• 材料化学
• 计算化学
• 材料科学
• 化学
• 物理
• 建模
• 模拟
• 密度泛函理论
• 计算材料学
• 表面化学

理论计算在材料科学中的应用：从第一性原理到机器学习 书籍简介 本书深入探讨了现代计算方法在材料科学与工程领域的广泛应用，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、深入的学习资源。全书内容紧密围绕如何利用先进的计算工具来理解、预测和设计新型材料的结构、性质与性能展开。 第一部分：计算材料科学的基石 本部分内容侧重于构建和理解计算材料科学的理论基础和常用方法。 第一章：材料科学中的计算方法概述 本章首先回顾了材料科学的基本概念，如晶体结构、电子结构和宏观性能之间的内在联系。随后，系统性地介绍了计算材料科学的图景，包括从量子力学到经典力学的不同尺度模型。重点讨论了选择合适计算尺度的重要性，并阐述了从原子尺度模拟到介观和宏观模拟的衔接策略。 第二章：量子力学基础与第一性原理计算 本章是全书的核心理论基础之一。详细讲解了描述材料中电子行为的量子力学原理，包括薛定谔方程的推导及其在多电子系统中的应用挑战。重点深入剖析了密度泛函理论（DFT）的数学框架、核心近似（如LDA、GGA、Meta-GGA）的优缺点及其在实际材料体系中的适用性。此外，本书还详细讨论了如何处理周期性边界条件（如平面波基组）和有限分子体系（如分子轨道方法）。章节末尾，对计算精度、能量收敛性、自洽场（SCF）迭代的稳定性控制，以及处理高精度电子结构计算的实用性技巧进行了详尽的阐述。 第三章：分子动力学模拟的原理与实践 本章聚焦于描述原子和分子运动的方法。首先介绍了牛顿运动方程在计算模拟中的离散化方法（如Verlet算法）。核心内容是势函数的构建与选择。详细区分了经验势（如Lennard-Jones, Buckingham势）、半经验势以及更精确的势能面（Potential Energy Surface, PES）的构建方法，包括嵌入原子法（MEAM）和键级势（如TBP）。随后，本书详细介绍了经典分子动力学（MD）模拟的关键技术，如系综（NVT, NPT, NVE）的控制方法（如Nosé-Hoover, Langevin恒温器）、压力控制，以及如何从模拟轨迹中提取热力学、输运和力学性质。 第四章：从微观到介观尺度的连接——介观模拟方法 为了弥补第一性原理计算的计算量限制和经典MD对电子效应描述的缺失，本章探讨了连接不同尺度的过渡性方法。这包括蒙特卡洛（Monte Carlo, MC）方法的原理及其在相平衡和构象采样中的应用。此外，还详细介绍了相场（Phase Field）模型，用于描述宏观尺度下材料的微观结构演化，如晶界迁移、析出动力学等，并阐述了如何通过自洽的微观模拟结果来校准相场模型的参数。 第二部分：特定材料体系的应用案例 本部分将理论和方法应用于实际材料系统的研究，展示计算如何指导材料的设计和理解。 第五章：金属与合金的结构与力学性能模拟 本章专门讨论金属材料。利用第一性原理计算预测了合金的稳定性和相图（如使用计算热力学/CALPHAD方法与DFT结合）。在力学性能方面，重点展示了如何通过分子动力学模拟来研究位错的形核、运动和交互作用，以及在不同应变率下的塑性失稳。对高熵合金（HEAs）的局域无序结构和随机性对机械性能的贡献进行了深入的计算分析。 第六章：半导体与光电材料的电子特性 本章聚焦于半导体材料。深入探讨了计算带结构、态密度（DOS）以及有效质量的计算流程。详细讨论了计算材料中缺陷（如空位、间隙原子、掺杂剂）的形成能、迁移能和电子捕获能级，并解释了这些缺陷如何影响半导体的电学性能。此外，还覆盖了计算光吸收光谱和电荷转移过程，以指导光催化剂和太阳能电池材料的设计。 第七章：软物质与聚合物的构象与动力学 本章处理复杂且柔性的软物质体系。重点阐述了如何使用大尺度（粗粒化，Coarse-Graining）分子动力学模拟来有效采样聚合物链的拓扑结构和动力学行为。讨论了聚合物的玻璃化转变温度（Tg）的计算方法，以及溶剂化对聚合物链缠结和扩散性能的影响。针对生物材料，探讨了蛋白质折叠和膜蛋白与配体结合的自由能计算方法。 第八章：催化与表面化学：反应路径的解析 本章侧重于界面现象。详细介绍了使用周期性平板模型描述固-气界面吸附和反应的计算流程。重点讲解了如何通过阿伦尼乌斯理论结合量子化学计算来确定化学反应的过渡态结构，并计算反应的活化能垒。对自由能微扰（FEP）和热力学积分（TI）等技术在计算溶液中反应和电化学反应中的应用进行了详尽的论述。 第三部分：前沿计算范式与数据驱动的材料发现 本部分展望了计算材料科学领域的最新发展和未来方向。 第九章：机器学习在材料科学中的崛起 本章全面介绍了利用机器学习（ML）和人工智能（AI）加速材料研发的范式转变。首先讲解了如何构建高质量的材料数据库，包括特征工程（Descriptor Generation），如原子环境向量（E(3)-equivariant networks）。随后，重点介绍监督学习（回归与分类）在预测材料性质（如硬度、带隙）上的应用。并详细对比了传统势函数与基于ML的势（如GAP, MACE）在精度和效率上的优势。 第十章：高通量计算与材料信息学平台 本章探讨了自动化和数据驱动的研发流程。详细描述了如何设计和实施高通量（High-Throughput）计算工作流，以系统性地筛选大量候选材料。介绍了材料数据库的构建标准和互操作性，以及计算结果的后处理和可视化工具。最后，展望了如何将计算结果与实验数据相结合，实现闭环的、自主的材料发现系统。 本书力求在提供坚实理论基础的同时，兼顾实际操作性和前沿技术的介绍，是致力于利用计算手段解决实际材料问题的研究人员的必备参考书。

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这本书的封面设计极具现代感，那种深邃的蓝与电光石火般的线条交织在一起，立刻抓住了我的眼球，仿佛预示着一场关于物质世界深层奥秘的探索之旅。我原本以为这会是一本堆砌着复杂公式和晦涩理论的教科书，但翻开第一页，就被作者清晰且富有逻辑的叙述方式所吸引。它没有急于抛出那些令人望而却步的高级数学模型，而是从最基础的原子结构和键合理论娓娓道来，像是经验丰富的导师在循循善诱。特别是在讨论晶体结构和缺陷工程的部分，作者巧妙地穿插了一些历史上的里程碑事件，将枯燥的物理化学概念与材料科学的发展脉络紧密结合起来。读完前几章，我感觉自己对“为什么某些材料具有特定的优异性能”这个问题有了一个全新的、更具化学深度的理解。那种豁然开朗的感觉，远超出了我预期的入门书籍能提供的范畴，它更像是一份精心策划的、引人入胜的科学史诗开篇。

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这本书的排版和图表质量，绝对是教科书级别的典范。色彩运用克制而精准，关键的分子结构图和能带结构图清晰到令人赞叹，每一个原子和电子轨道都仿佛触手可及。我注意到作者在引用文献时非常严谨，不仅提供了经典的奠基性论文，还包含了近几年最具影响力的研究成果，这让这本书立刻成为了我案头必备的“活的参考书”。它不仅仅是一本传授知识的书籍，更像是一个精心策展的科学画廊，将计算材料化学领域最精华的视觉化成果和理论创新进行了系统的梳理和展示。合上书本时，我感受到的不是知识的沉重，而是一种被激发起来的强大好奇心——我迫不及待地想要将书中学到的方法论，应用到我正在研究的下一代储能材料的分子设计上去。这是一本能够真正驱动科研实践、提升思维维度的杰作。

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作为一名资深的材料工程师，我关注的重点往往在于如何利用计算工具来解决实际生产中的瓶颈问题，例如新催化剂的活性位点识别或高熵合金的相稳定性预测。这本书在处理这些“硬核”应用案例时，展现出了极高的专业水准。它没有停留在概念介绍，而是直接切入了复杂的案例研究。例如，书中对界面化学反应动力学的讨论，就结合了先进的过渡态搜索算法，并清晰地展示了如何用量子化学计算来解析实验难以捕捉的反应机理。更让我印象深刻的是，作者在探讨计算效率和准确性之间的权衡时，表现出的那种老道和务实。他没有鼓吹“越大越好”的计算规模，而是强调“最适合问题”的计算方法选择。这种务实的态度，对于我们在资源受限的环境下进行科研工作，提供了极其实用的指导方针和决策框架。

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我是在一个急需快速掌握前沿计算模拟技术的背景下接触到这本书的。坦白说，市面上很多声称涵盖“计算”二字的资料，往往更侧重于软件的使用手册，而对背后的物理化学原理一带而过。然而，这本书完全颠覆了我的预设。它将计算化学的理论基石，例如分子动力学模拟（MD）和蒙特卡洛方法（MC），置于核心地位进行讲解。作者不仅详细解析了力场的构建原则和能量最小化算法，更难能可贵的是，它还专门辟出章节讨论了如何设计有效的模拟实验、如何处理周期性边界条件带来的系统误差，以及如何从海量的模拟数据中提取出具有物理意义的宏观性质。这种从原理到实践的无缝衔接，让我觉得自己不再仅仅是一个软件操作员，而是一个真正能够理解并优化计算流程的“材料化学家”。对于希望从应用层面迈向理论精进的读者来说，这种深度是极其宝贵的。

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这本书的文字功底和学术深度简直令人叹为观止，它在严谨的科学性与可读性之间找到了一个近乎完美的平衡点。我尤其欣赏作者在阐述量子力学基础如何应用于预测材料性质时所采用的类比手法。面对那些抽象的薛定谔方程和波函数概念，作者没有直接用密集的数学符号淹没读者，而是借助了非常形象的、与日常生活息息相关的例子来解释电子密度的分布和能带结构的形成。这使得即便是那些对计算方法论不太熟悉的初学者，也能大致把握其核心思想。深入到密度泛函理论（DFT）的部分，我发现作者对不同近似方法的优缺点进行了非常细致的对比分析，这种平衡的视角避免了任何单一方法的“一言堂”，展现了扎实的学术担当。整本书的论述节奏把握得极佳，像是一场精心编排的音乐会，在高潮迭起处总能适时地放缓，让读者有时间消化刚刚吸收的复杂信息。

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