Nat. Mater.綜述：材料多尺度建模怎么搞 哥大告訴你

【引言】

多尺度建模是一個影響許多領域的概念，但它在過去幾十年中對材料建模具有十分重要的影響。多尺度建模涉及方程、參數或模擬算法的推導，這些方程、參數或模擬算法在更精細尺度的物理基礎上描述給定長度尺度的行為，前提是精細尺度物理和結構比大尺度的物理和結構更容易理解。精細尺度可以包括電子、原子、分子及其聚集體，或中尺度結構，例如相或晶粒。這與傳統的宏觀現象學形成對比，后者直接在與分析和設計相關的更大的尺度上描述材料行為，并且更依賴于可用的實驗數據而不是微觀解釋。多尺度模型的一個同樣重要的目標是能夠將連續尺度描述（例如變形或溫度場）映射到較小尺度的特征（例如原子或晶粒的相對位置和速度）上。雖然使用統計力學工具提供精細和大尺度之間的聯系對于均質材料和簡單屬性可能意義不大，但對于異質系統而言，這項工作挑戰性十足，特別是對于描述材料的大變形和失效。這些復雜問題的解決使科研工作者相信多尺度計算將在未來的納米技術和材料基因組研究中發揮關鍵的作用。

【成果簡介】

美國哥倫比亞大學的Jacob Fish在這篇綜述中介紹一些關鍵概念和多尺度建模的現狀，以及最近的進展和一些重要且有前景的未來研究領域。作者總結了當前多尺度建模發展時期的工作，包括 1990 年代和 2000 年代提出的繼續影響該領域的思想，并舉例說明了將機器學習和材料設計等新領域引入到多尺度計算中。文章側重于材料的機械和熱機械性能模型，因為這些模型為多尺度理論的發展提供了一條便捷的途徑，但所討論的許多概念可以擴展到復雜材料的電、磁和化學性質的多尺度預測。該成果以題為“Mesoscopic and multiscale modelling in materials”發表在Nat. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1.模擬制造對復合材料性能的影響

(a) 多空間尺度化學熱機械過程的耦合 (b) 模型縮減和數學放大 (c) 由制造引起的預測殘余應力 (d) 組件級別的模型驗證

圖2.基于物理的 MD 粗粒度放大方法

圖3.石英玻璃高壓致密化的模型

(a) 使用熔融淬火方法構建石英玻璃原子晶胞 (b) 分子結構驗證 (c) 訓練集的構建 (d) 基于連續耦合狀態的塑性-損傷模型的神經網絡訓練 (e) 驗證：超高速撞擊實驗與近場動力學模擬

圖4.原子和連續晶格系統的 QC 建模

圖5.顯示由三個尺度組成的單個多重網格 V 循環的示意圖

圖6.多尺度科學與工程的 Gartner 循環

圖7.多水平直接可計算物理框架的單水平

【小結】

多尺度建模的概念在過去幾十年中出現，用于描述尋求使用從系統中更精細尺度的計算模型中收集的信息來模擬連續尺度行為的程序，而不是求助于經驗本構模型。目前已經開發了大量這樣的方法，采用了一系列方法來跨越多個長度和時間尺度。作者介紹了多尺度建模的一些關鍵概念，并展示了來自幾類模型的方法示例，包括近年來開發的集成機器學習和材料設計等新領域的技術。

文獻鏈接：Mesoscopic and multiscale modelling in materials. Nat. Mater., 2021, DOI:10.1038/s41563-020-00913-0

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。 ?