斯坦福探究項目：模擬凝固態(tài)惰性氣體的原子運動和相變

Category: 培訓(xùn)課程, 科研項目培訓(xùn)
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Date: 2023年2月24日上午10:00

本課題旨在讓學(xué)生了解計算材料學(xué)，深入學(xué)習(xí)分子動力學(xué)和蒙特卡羅方法的基礎(chǔ)理論，結(jié)合惰性氣體的相關(guān)材料學(xué)知識，使用計算機實現(xiàn)該模擬，計算原子體系的部分基礎(chǔ)性質(zhì)，并且讓學(xué)生進行對比試驗，了解兩種方法的優(yōu)點以及缺點。

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斯坦福探究項目

模擬凝固態(tài)惰性氣體的原子運動和相變

課題簡介

計算材料學(xué)是材料科學(xué)和計算機科學(xué)的交叉學(xué)科，是一門正在快速發(fā)展的新興學(xué)科，也是材料科學(xué)中一個重要的研究方向。它一方面從實驗數(shù)據(jù)入手，通過建立數(shù)學(xué)模型模型，使用計算機進行模擬計算出實際過程，另一方面是材料的計算機設(shè)計，即直接通過建立材料的理論模型和計算，預(yù)測或者設(shè)計材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。計算材料學(xué)既可以解決理論方面研究體系的復(fù)雜性，又可以解決實驗室無法具備的一些特殊環(huán)境，例如超高壓，超高溫等極端環(huán)境。

分子動力學(xué)是計算材料學(xué)的計算模擬方法之一，該方法主要通過牛頓力學(xué)來模擬實際分子體系的運動，是一種多體模擬方法。該方法通過對分子在一定時間內(nèi)的運動狀態(tài)的模擬計算，引入統(tǒng)計物理的概念，計算出該材料的宏觀熱力學(xué)性質(zhì)以及研究系統(tǒng)的演變過程。

蒙特卡羅方法，是一種統(tǒng)計實驗或隨機抽樣的方法，屬于計算數(shù)學(xué)的分支。該方法從物理系統(tǒng)背后的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，引入隨機數(shù)和概率統(tǒng)計方法，進行一定次數(shù)的模擬計算得出計算結(jié)果。在計算材料學(xué)的應(yīng)用中，該方法同樣可以模擬分子的運動（隨機擴散，相變等）。

科研方法

計算機仿真模擬

計算機仿真模擬是一種運用計算機軟件建立抽象模型、模擬真實條件并進行分析的技術(shù)。與傳統(tǒng)的實驗相比，計算機模擬技術(shù)通過數(shù)學(xué)建模，解放了普通實驗對于器材的苛刻要求，具有可多次進行、反復(fù)試錯的優(yōu)點。同時，由于計算機模擬技術(shù)黑箱化了復(fù)雜的理論推導(dǎo)與數(shù)據(jù)計算，能夠以直觀的方式呈現(xiàn)研究的成果，對于初次涉獵科學(xué)研究的高中生而言，也更為簡單易學(xué)、容易上手。

例如：在設(shè)計外太空的衛(wèi)星軌道時，受制于客觀條件，科研工作者無法在地球上重現(xiàn)外太空的環(huán)境，因此，只能借助計算機強大的運算能力，對外太空的情況和衛(wèi)星的軌道進行模擬、反復(fù)實驗，并基于模擬實驗的結(jié)果，完成科學(xué)的軌道設(shè)計。