• 由此可见，虽然用语有所差别，但基 本含义是共同的。从广义来说，材料 设计可按研究对象的空间尺度不同而 划分为三个层次：微观设计层次，空 间尺度在约1nm量级，是原子、电子 层次的设计；连续模型层次，典型尺 度在约 lμm量级，这时材料被看成连 续介质，不考虑其中单个原子、分子 的行为；工程设计层次，尺度对应于 宏观材料，涉及大块材料的加工和使 用性能的设计研究。
• 二、材料设计的发展概况 • 1、前期研究的回顾 • “材料设计”设想始于 20世纪 50年代。 在 50年代初期，前苏联便开展了关于合金 设计以及无机化合物的计算机预报等早期 工作。那时前苏联卫星上天，说明其使用 的材料是先进的。苏联人于1962年便在理 论上提出人工半导体超晶格概念，不过当 时他们没有提出如何在技术上加以实现的 建议。后来到1969年，才正式从理论和实 践结合上提出了通过改变组分或掺杂来获 得人工超晶格。
• 关于材料设计，或者设计材料这类研究， 迄今在国际上还没有统一的流行术语或提 法。日本学者1985年就提出了“材料设计 学”一词，俄国学者把材料设计包括在 “材料学”中。美国学者在《90年代材料 科学与工程》报告中称这类工作为材料 “计算机分析与模型化”。我国1986年开 始实施“863计划”时，对新材料领域提出 了探索不同层次微观理论指导下的材料设 计这一要求，因此，从那时起在“863”材 料领域便设立了“材料微观结构设计与性 能预测”研究专题。
• 80年代中期日本材料界提出了用三大材料 在分子原子水平上混合，构成杂化材料的 设想。1985年日本出版了《新材料开发与 材料设计学》一书，首次提出了“材料设 计学”这一专门方向。书中介绍了早期的 研究与应用情况，并在大学材料系开设材 料设计课程。1988年由日本科学技术厅组 织功能性梯度材料（functionally gradient materials）的研究任务，提出将 设计一合成一评估三者紧密结合起来，按 预定要求做出材料。
• 1995年美国国家科学研究委员会（NRC） 邀请众多专家经过调查分析，编写了《材 料科学的计算与理论技术》这一专门报告， 其中说：“materials by design”（设计 材料）一词正在变为现实，它意味着在材 料研制与应用过程中理论的份量不断增长， 研究者今天已处在应用理论和计算来“设 计”材料的初期阶段。
• （5）以原子、分子为起始物进行材料合成， 并在微观尺度上控制其结构，是现代先进 材料合成技术的重要发展方向，例如分子 束外延、纳米粒子组合、胶体化学方法等。 对于这类研究对象，材料微观设计显然是 不可缺少的并且是大有用武之地的。
• 2、当前面临的挑战 • 1969年江崎和朱兆祥提出了由两种不同 半导体薄层构成超晶格。量子阶的概念。 后来借助分子束外延等制备技术，使这一 设想得以实现。现在已被证明，这一概念 是80年代以来凝聚态物理学和材料科学中 最有价值的概念之一，它开辟了人工设计 低维材料并对其能带结构进行人工剪裁的 先例。2O年多来，从量子新到量子线、量 子点的研究，一直是最富有生命力的前沿 领域之一。
• 事实表明，现代材料科学研究必须深人到 微观层次。今天不仅是对材料物性的了解， 还是对材料性能的表征，都要求深人到分 子、原子以及电子层次。许多先进材料的 制备和加工过程，也已进人“原子、级水 平”。由单个原子聚合成簇，或形成零维、 一维、三维材料，都属于所谓“原子级工 程”（atomically engineering）。又例 如在今天各类关键技术上所使用的材料中， 发生在材料表面和界面的现象，都要求从 原子水平和化学键水平进行了解，才能阐 明其本质。
• 1989年美国由若干个专业委员会在调查分 析美国8个工业部门（航天、汽车、生物材 料、化学、电子学、能源、金属和通信） 对材料的需求之后，编写出版了《90年代 的材料科学与工程》报告，对材料的计算 机分析与模型化作了比较充分的论述。该 报告认为，现代理论和计算机技术的进步， 使得材料科学与工程的性质正在发生变化 计算机分析与模型化的进展，将使材料科 学从定性描述逐渐进人定量描述的阶段。
• （3）科学测试仪器的进步，提高了定量测
量的水平，并提供了丰富的实验数据，为 理论设计提供了条件。在这种情况下更需 要借助计算机技术沟通理论与实验资料。 • （4）材料研究和制备过程的复杂性增加， 许多复杂的物理、化学过程需要用计算机 进行模拟和计算，这样可以部分地或全部 地替代既耗资又费时的复杂实验过程，节 省人力物力。更有甚者，有些实验在现实 条件下是难以实施的或无法实施的，但理 论分析和模拟计算却可以在无实物消耗的 情况下提供信息。
• 三、材料设计的主要途径 • 概括地讲，目前材料设计方法主要是在 经验规律基础上进行归纳或从第一性原理 出发进行计算（演绎），更多的则是两者 相互结合与补充。材料设计的主要途径可 分为如下几类。 • 1、材料知识库和数据库技术 • 数据库是随着计算机技术的发展而出现 的一门新兴技术。材料知识库和数据库就 是以存取材料知识和性能数据为主要内容 的数值数据库。
• 在未来超小型化的器件中起关键作用 的材料，是由为数极少的原子所组成， 其中增加（或减少）一个原子（或电 子）都将使其状态发生明显变化，例 如单电子器件就是如此。这是对当今 材料科学理论和计算的挑战。可见， 原子水平上的材料设计必然受到高度 重视，它在现代材料科学技术的发展 中将起举足轻重的作用。
• 近10年来，材料设计或材料的计算机分析
与模型化日益受到重视，究其原因主要有 以下几点。 • （1）固体物理、量子化学、统计力学、 计算数学等相关学科在理 论概念和方法上 有很大发展，为材料微观结构设计提供了 理论基础。 • （2）现代计算机的速度、容量和易操作 性空前提高。几年前在数学计算、数据分 析中还认为无法解决的问题，现在已有可 能加以解决；而且计算机能力还将进一步 发展和提高。
• 计算机化了的材料知识和性能数据库具有 一系列优点：如存贮信பைடு நூலகம்量大、存取速度 快、查询方便。使用灵活；具有多种功能， 如单位转换及图形表达等；已获得广泛应 用，并可以与CAD、CAM配套使用，也可 与人工智能技术相结合，构成材料性能预 测或材料设计专家系统等。与早期数据的 自由管理方式和文件管理方式相比，计算 机的材料知识库和性能数据库还具有数据 优化、数据独立、数据一致，以及数据共 享及数据保护等优点。