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分子设计应用领域
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药物设计 (有机分子，多肽等) 材料设计 (固体，表面，晶体，高分子等) 生物大分子设计 (酶，蛋白质等) 其它 (有机反应合成路线等)
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博士生学位课 材料的计算机设计
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分子设计常用软件
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Sybyl (药物设计), Tripos公司 Quanta/Charmm (生物大分子) Cerius2 (材料) Insight II (药物，大分子，材料) MDL的各种化学数据库
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微结构模拟尺度
微结构的定义：热力学非平衡态的晶格缺陷空间 分布的集合； 微结构的时空：空间尺寸由零点几纳米（如杂质 原子）到数米量级，时间尺度从ps到数年（如腐 蚀，蠕变和疲劳等）。
尺度：纳观－原子层次，微观－小于晶粒尺寸
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计算化学 从头算 第一原理 半经验算法 密度泛函理论 量子力学 分子力学 分子动态学
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生物
人高 針頭 紅血球 分子及DNA 氫原子 100萬奈 米 1千奈米 1奈米 0.1奈米 20億奈米
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100A
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1 μm
Distance
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1cm
km
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不同尺度研究方法
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材料的尺度的分类
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材料研究的多尺度
10-9~10-4 10-9~10-5
晶体塑性，微结构，位错分布
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*相场动力学模型 扩散，界面运动，脱溶物的形 成与粗化，多晶及多相晶粒粗 化，同构相与非同构相之间的 转变，第Ⅱ类超导 41 西北工业大学 材料学院 陈铮 博士生学位课 材料的计算机设计
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Accelrys Inc.
formerly MSI
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微观尺度模拟设计
以非连续介质概念为基础，典 型尺度微米级，包括热力学预 测相变与产物。
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宏观（工程）尺度模拟设计 针对大块材料、零件的加工与使用 性能， 以连续介质概念为基础， 主要依赖经典力学、细观 力学理论。
的晶格缺陷系综，介观－晶粒尺寸的晶格缺陷系 综，宏观－试样尺寸。
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微结构模拟方法
纳观至微观： 蒙特卡罗、分子动力学 微观至介观：位错动力学、金兹堡－朗道扩散相 场动力学、元胞自动机、多态及动力学波茨模型 、拓扑网格与顶点模型。 介观至宏观： 大尺度有限元、有限差分法和多晶 模型，其中，有限元法通过平均化本构方程包含 微结构信息。
第四章 尺度与理论、方法
材料科学的前沿
材料科学研究的新理论与方法
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电子
原子
均匀连 续介质
理论学说
非均匀连 续介质
技术性角 度
纳观至 微观 细观至 宏观 微观至 细观
尺度与理论、方法
理论与技术
主要方法 核心问题
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发展趋势
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毫米尺度 纳米尺度 原子尺度
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模拟的时间和空间尺度
连续介质 力学 结构动力学 缺陷动力 学 分子动力 学 量子力学
时间尺度
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空间尺度
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Hierarchy of Models
宏观
微结构尺度
热力学非平衡态的晶格缺陷 空间分布的集合 材料显示出各种独特的性能 微结构研究是材料科学的核心 ，也是计算材料学的核心 西北工业大学 材料学院 陈铮 博士生学位课 材料的计算机设计
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微结构模拟意义
微结构的形成：热力学非平衡机制可得出各种复 杂的远离平衡态的微结构 微结构与性能： 各种微结构使材料出现各种独特 的性能，微结构的组织形态、拓扑、化学特性等 信息，是微结构-性能模型的重要基础 微结构模拟：微结构平衡和非平衡相变的预测， 现代材料科学中最具挑战性的课题
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蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次
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地球科學的時空尺度
十億年 百萬年 百年 年 日 分 秒
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石油形成 造山運動 成礦作用 海洋環流
板塊運動
冰河時期 氣候 聖嬰現象
作用進行之時間長度
土壤形成
全球天氣系統
土石流
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A few fresh words
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Computational chemistry Ab initio First principle Semiempirical methods Density functional theory Quantum mechanics Molecular mechanics Molecular dynamics
大氣對流 龍捲風 亂流
火山爆發 地震 10
颱風
寒潮
海嘯
1
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影響的空間範圍（公里）
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100
1000
10000
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第二节 微结构模拟
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原子 纳观
小于晶粒 微观
晶粒尺寸 细观（介观）
试样尺寸
明确分子的立体结构、电子特性与 物性的关系，即，分子结构模拟与 功能预测。
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分子设计概况
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分子设计历史
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计算化学 (量子化学, 分子力学等) 结构化学 (晶体学，谱学等) 计算机技术 (计算数学，软硬件，数据库，图形学等)
2
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第一节 合金设计的层面
着重层面与原理 不涉及具体方法
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从离散性角度 粒子学说
电子 原子 分子
连续介质学说
非均匀连 续介质 均匀连 续介质
合金设计的学说与尺度
电子设计 原子设计 分子设计
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从层面的视角
Time Process Simulation Computational Fluid Dynamics Mesoscale Simulations Molecular Dynamics Monte Carlo Simulation Quantum Mechanics
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year
min. ms ns 10-12 s 10-15 s 1A 10A
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基本粒子 原子核 原子 最小 的细胞 DNA长度 人
E-15 E-12 E-09 E-06 E-03 1m E+03 E+06
哈勃半径 超星系团
E+27 E+24 E+21 E+18 E+15 E+12 E+09
星系团 银河系 最近恒 星的距离 太阳系
太阳 山
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原子设计
用于金属键的晶体结构材料 分子动力学、蒙特卡罗法，弥补量子力学 不能解决的问题。 明确原子排列、电子特性与物性的关系， 即，原子排列模拟与功能预测
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分子设计
用于有机和无机化合物材料