大牛帶你盡覽計算材料學前沿Natl.Sci.Rev.：計算材料與多尺度系統專題（特邀編輯余艾冰）

豐富多樣的材料和人類文明息息相關。當今，對先進材料及創新型可持續材料制備方法的需求與日俱增。因此，理解不同材料及其制備過程至關重要。隨著計算機技術的快速發展，仿真和模擬已成為材料研究中不可或缺的一部分。計算材料學主要致力于建立可預測或可描述的模型，以幫助研究材料的內在機理并減少新材料開發的時間和成本。National Science Review（《國家科學評論》）2018年第3期出版了關于計算材料與多尺度系統的前沿進展專題，敬請收閱。

1.特邀編輯：計算材料與多尺度系統專題前言

為描述材料以及材料制備的多尺度本質，現已發展出不同的計算方法。其中一些方法的結合使用也出現在學術論文中，以更好地理解材料在不同條件下的離散和連續行為。盡管計算方法和實驗技術基本處于同步發展的狀態，但計算模擬可以提供比現有實驗技術更為豐富的信息，有其獨特的優勢和重要的意義。

近日，來自澳大利亞莫納什大學顆粒技術仿真與模擬研究中心的余艾冰教授作為特邀編輯，概括性闡述了用于研究多尺度材料及其制備過程的多種計算模擬方法，并對本期的文章進行了簡要介紹。

余艾冰

文獻鏈接：Aibing Yu. Preface to special topic on computational materials and multiscale systems（Natl Sci Rev (2018) 5 (3): 313. DOI: 10.1093/nsr/nwy018）

2.觀點：聲子中的Berry相位和拓撲效應

聲子是晶格振動的元激發，是固體中熱輸運的主要載體。許多重要的實際應用與器件（如集成電路的散熱、熱障涂層、熱電效應、熱二極管、熱三極管等）都需要有效地控制聲子輸運，與之相關的研究構成了現代物理學的一大分支——聲子學。另一方面，新型拓撲量子物態的發現，如量子霍爾效應、量子反常霍爾效應、量子自旋霍爾效應、拓撲絕緣體、拓撲半金屬等，從根本上改變了人們對電子態的認識，并對電子學、自旋電子學、拓撲量子計算等領域產生了革命性的影響。最新的研究工作將拓撲的物理概念引入聲子學，利用Berry相位、拓撲等新奇的量子自由度，實現全新的聲子操控，因此誕生了一個新興的研究領域——拓撲聲子學。在本專題中，來自清華大學的段文暉院士和徐勇助理教授（共同通訊作者）等人從基礎理論到潛在應用，概括了聲子的Berry相和拓撲效應的最新研究進展。

段文暉

徐勇

文獻鏈接：Yizhou Liu, Yong Xu and Wenhui Duan. Berry phase and topological effects of phonons（Natl Sci Rev (2018) 5 (3): 314–316. DOI: 10.1093/nsr/nwx086）

3.觀點：3D拓撲材料的開發：兩步法計算篩選策略

晶格固體拓撲材料包括：拓撲絕緣體（TIs）、拓撲晶體絕緣體（TCIs）、拓撲狄拉克半金屬（DSMs）、拓撲外爾半金屬（WSMs）、拓撲狄拉克或外爾節線半金屬（NLSMs）等等。它們都具有受拓撲保護的重要表面態等特征。因為拓撲材料在自旋電子學、量子計算機以及新物理等領域的應用前景巨大，近年來，研究人員對它們進行了大量而深入的研究。目前，具有特殊性質的拓撲材料的設計，還是嚴重依賴傳統的試錯法。在本專題中，來自中國科學院金屬研究所的陳星秋研究員介紹了用于拓撲材料設計的高通量計算方法的相關情況。

陳星秋

文獻鏈接：Xing-Qiu Chen. Boosting the discovery of 3D topological materials: mixing chemistry with physics via a two-step computational screening strategy（Natl Sci Rev (2018) 5 (3): 316–318. DOI: 10.1093/nsr/nwx053）

?4.觀點：從點缺陷角度認識固態儲氫材料的放氫機制

面對石油資源日漸匱乏和生態環境嚴重惡化的雙重壓力，利用氫能這一清潔能源取代以化石燃料為基礎的現有能源已成為全球關注的熱點。就目前氫能發展的現狀而言，高效的儲氫方式及儲氫材料的研發是實現氫能經濟的關鍵和瓶頸。在儲氫家族中，有一系列由輕元素B、N、Li、Na、Al、Mg、Ca等與H構成的三維固態化合物，如NaAlH₄、LiNH₂、LiBH₄, Li₄BN₃H₁₀、MgH₂、AlH₃、氨硼烷(NH₃BH₃)等。它們具有較高的氫質量分數和氫體積分數，但存在放氫溫度偏高、放氫速率緩慢的問題，嚴重制約了其在車載氫源上的應用。因此，認識它們的放氫機理并調控放氫的熱力學和動力學是儲氫材料領域十分關注的問題。

在本專題中，來自中南大學的杜勇教授（通訊作者）等人提出基于第一性原理計算在缺陷相關性質中的重要作用，或有助于從原子層面理解放氫過程的細節，并從點缺陷角度理解儲氫材料的放氫過程和機理。

杜勇

?文獻鏈接：Jianchuan Wang, Yong Du and Lixian Sun. Understanding of hydrogen desorption mechanism from defect point of view（Natl Sci Rev (2018) 5 (3): 318–320. DOI: 10.1093/nsr/nwx114）

5.觀點：介科學：探索介尺度共性原理

當我們研究科學、工程和社會中的復雜系統時，一般總是先了解其宏（系統）尺度行為，然后再逐步深入其微（單元）尺度的機制，并逐步試圖建立這兩者之間的關聯。然而，直接建立這種關聯是十分困難的，原因似乎是在這兩者之間缺少了什么共同的原理。研究逐步表明，在介于單元尺度和系統尺度之間的介尺度上可能存在一個普適的主導原理，即：不同控制機制在競爭中的協調。為此，提出了介科學這一跨學科的概念。

在本專題中，來自中國科學院過程工程研究所的李靜海研究員（通訊作者）等人根據課題組三十余年的研究成果，對介科學產生的背景、面臨的挑戰和機遇進行了簡要而深刻的介紹。

李靜海

文獻鏈接：Wenlai Huang, Jinghai Li and Peter P. Edwards. Mesoscience: exploring the common principle at mesoscales（Natl Sci Rev (2018) 5 (3): 321–326. DOI: 10.1093/nsr/nwx083）

6.綜述：新能源技術中電催化活性的理論篩選因子? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

近年來，金屬-空氣電池和燃料電池等儲能器件，作為非常重要的清潔、環保的新能源技術得到了國際社會的高度關注，但其過高的過電位導致了能源轉化效率低、副反應嚴重等問題，極大制約了實際應用。因此，篩選合適的催化劑來降低過電位，對此類新能源技術至關重要。但實驗的方法在表征界面催化能力方面存在難度，以第一原理計算為代表的理論研究，通過對電子結構的細致描述，選取合適的理論篩選因子，揭示界面催化機制，為實驗篩選高活性催化劑提供了有力指導。

在本專題中，來自南方科技大學的張文清教授和中國科學院上海硅酸鹽研究所的劉建軍研究員（共同通訊作者）等人基于新能源技術中電催化反應現狀，對描述新能源技術中電催化反應活性的理論計算篩選因子進行了簡要綜述。

張文清

劉建軍

文獻鏈接：Youwei Wang, Wujie Qiu, Erhong Song, Feng Gu, Zhihui Zheng, Xiaolin Zhao, Yingqin Zhao, Jianjun Liu and Wenqing Zhang. Adsorption-energy-based activity descriptors for electrocatalysts in energy storage applications. （Natl Sci Rev (2018) 5 (3): 327–341. DOI: 10.1093/nsr/nwx119）

?7.訪談：余艾冰：計算是理解顆粒體系的強有力工具

提到材料，我們的腦海中會浮現一些圖片。比如具有精細納米結構和特殊物理化學性質的功能材料，金屬和水泥等結構材料。然而，我們可能有時會忽略材料的構建形式。實際上，日常生活中的玻璃、鐵、煤炭、水泥和其他許多材料都是粒狀/顆粒材料。本文就是對澳大利亞莫納什大學教授、顆粒科學與技術及過程工程專家余艾冰的采訪，余教授對顆粒體系的計算機模擬與仿真研究做了細致介紹，并提出了一些對顆粒科學與技術領域的展望，最后對國內研究現狀作了簡要評價，并對投身于材料計算模擬的年輕科學家提出了建議。

余艾冰

文獻鏈接：Weijie Zhao. Computation as a powerful tool for understanding particle systems: an interview with Aibing Yu. （Natl Sci Rev (2018) 5 (3): 342–345. DOI: 10.1093/nsr/nwy001）

本文由National Science Review（《國家科學評論》）編輯部供稿，材料牛整理編輯。

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