具体描述
跨学科前沿探索：新材料的计算模拟与性能预测 本书概述： 本书聚焦于当代材料科学、化学工程和物理学交叉领域的前沿热点——新材料的微观结构表征、宏观性能预测及其复杂动态过程的精确模拟。它并非关注传统的过程动力学建模，而是深入探讨如何利用先进的计算工具，如密度泛函理论（DFT）、分子动力学（MD）模拟、蒙特卡洛（MC）方法以及机器学习（ML）模型，来揭示和控制新型功能材料（如高熵合金、二维材料、多孔催化剂和智能聚合物）的设计与合成。全书旨在为材料科学家、化学工程师和计算物理学家提供一个全面、深入的技术框架，以实现“从原子到宏观”的性能预测与材料创制。 第一部分：基础理论与计算框架的再审视 本部分为后续的复杂模拟奠定坚实的理论基础，但其侧重点在于量子化学方法在材料特性预测中的局限性突破和扩展。 第一章：量子力学计算在新一代材料设计中的角色 本章将详细剖析标准密度泛函理论（DFT）在处理强关联电子体系（如过渡金属氧化物和某些磁性材料）时的固有挑战。重点讨论如何通过引入更高阶的Hubbard U项修正（DFT+U）、考虑范德华（vdW）修正以精确描述层状材料堆叠能，以及如何利用混合泛函（如HSE06）来提高半导体能带结构的预测精度。同时，本章将引入量子蒙特卡洛（QMC）方法，特别是变分量子蒙特卡洛（VMC）和扩散量子蒙特卡洛（DMC），作为解决高精度电子结构计算的有效途径，尤其是在小分子和晶体缺陷能量计算中的应用。 第二章：多尺度建模的范式转换：超越经典分子动力学 传统分子动力学（MD）的成功依赖于精确的力场。本章将探讨如何从量子计算结果中机器学习（ML）势能面，即所谓的“从头算力场（ab-initio MD, AIMD）”，从而弥合速度与精度的矛盾。我们将深入研究神经网络势（NNP）的构建流程、数据采集策略（例如基于主动学习的采样）以及它们在模拟非键合系统（如液体金属或熔融盐）中的应用。此外，本章还将讨论如何将MD模拟结果与介观尺度方法（如相场模型）进行耦合，实现对复杂界面演化过程的有效连接。 第二部分：功能材料的微观结构与界面工程 本部分专注于利用先进计算技术解析和指导特定功能材料的结构-性能关系。 第三章：高熵合金（HEAs）的复杂构型空间探索 高熵合金（HEAs）因其极大的化学无序性，对传统热力学和动力学建模提出了巨大挑战。本章将详细介绍如何利用高通量虚拟筛选（HTS） 结合机器学习模型来预测新型HEAs的稳定性和微观相分离倾向。重点分析信息熵和结构畸变在稳定单相结构中的作用，并讨论如何通过晶格动力学模拟来预测其优异的阻尼特性和低温韧性。 第四章：二维材料的电子特性与缺陷工程 针对石墨烯的衍生材料、过渡金属硫化物（TMDs）等二维材料，本章关注表面化学修饰和边缘效应对电子输运特性的影响。我们将使用第一性原理计算来量化不同类型缺陷（如空位、间隙原子、掺杂位点）对带隙的调控效率，并讨论如何通过分子动力学模拟来理解这些缺陷在电场或热梯度下的迁移行为。一个核心议题是理解异质结界面的应力耦合如何影响载流子的分离与传输效率。 第五章：多孔催化剂的孔隙网络与反应动力学 在多相催化领域，本章侧重于孔隙结构对反应物/产物扩散和吸附能的控制。我们采用随机行走算法和随机网络模型来表征复杂的孔隙拓扑结构，并结合反应性分子动力学（ReaxFF MD）来模拟活性位点附近的化学键断裂与形成过程。重点分析孔径分布、曲折度与宏观反应速率常数之间的定量关系，并探讨如何通过计算指导孔隙结构的设计以最小化传质阻力。 第三部分：复杂系统中的相变与动态行为模拟 本部分将视角转向涉及时间演化和相转变的系统，强调如何处理时间尺度的不连续性。 第六章：固态电解质中的离子输运机制 在下一代电池技术中，固态电解质的快速离子传导至关重要。本章详细阐述如何利用激活跳跃模型（如蒙特卡洛模拟） 和AIMD来精确计算离子的迁移能垒和路径。我们将比较不同晶格结构（如石榴石型、硫化物型）中，集体跳跃机制与单离子跳跃机制的相对贡献，并研究温度和电场对界面阻抗的影响，为开发高功率密度固态电池提供微观洞察。 第七章：聚合物共混物与相分离的稳定性 对于高分子材料，本章探讨热力学相容性与动力学混合过程。利用Flory-Huggins理论的修正版本，结合考虑链长和拓扑结构（如嵌段共聚物）的蒙特卡洛模拟，来预测共混物的相图。重点在于使用染色原子技术和自由体积理论来解析链段运动，从而预测微相分离的临界温度和生长速率，解释为什么某些共混物在高温下仍能保持亚稳态的均匀性。 第八章：计算模拟中的不确定性量化与模型验证 成功的计算建模必须伴随严格的不确定性评估。本章超越了简单的误差分析，重点介绍贝叶斯方法在参数推断中的应用，以及如何利用实验数据（如X射线衍射、光谱学数据）来构建更可靠的逆向工程模型。本章最后将探讨“可信赖的AI”在材料模拟中的伦理和技术挑战，强调计算结果必须能够通过可重复的实验验证来锚定。 本书特色： 本书不侧重于标准化工过程的建模，而是严格围绕“新材料的微观结构控制”与“跨时间尺度和空间尺度的复杂物理化学过程模拟”展开。它提供了从基础量子力学到宏观性能预测的完整计算工具箱，旨在推动材料科学研究范式的转型，实现高效、精准的材料设计。本书适合具有扎实物理化学和计算背景的研究人员、博士生以及致力于前沿功能材料开发的工程师作为核心参考资料。
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