【经典12问】材料设计与模拟将如何影响我们的研发？

1. 材料设计与模拟的主要内容是什么？

材料模拟与计算设计主要包括两个主要内容：一个是材料的计算模拟，即通过建立数学模型进行数值计算，模拟实验的实际过程；另一个是材料的计算设计，即直接通过材料的理论模型和数值计算结果，预测或设计新材料结构与性能。

材料模拟与计算设计架起了从微观结构到宏观性质，从基础研究到工程应用的桥梁。小到纳米尺度的原子分子团簇，大到飞机航母等大尺度的宏观材料性质都能通过不同的方法进行计算模拟。

随着材料科学和计算机技术的飞速发展，我们能实现多尺度、高通量的材料模拟和计算设计，这将有助于我们理解材料结构与性能、功能之间的关系，引导新型功能材料发现和发明， 缩短新材料研发周期，降低新材料研发过程成本。

2. 材料设计与模拟在材料科学中的地位如何？

如果按照传统的材料制备、测试、分析，再结合理论研究的方法研究新材料，材料从研发到应用往往需要通过反复的测试和改进过程，这些过程需要经历较长的时间并且耗费大量的资源。

但是，随着量子力学基本理论的建立和计算机科学技术的飞速发展，人们可以首先通过计算机对新材料的原子结构以及基本性质进行计算模拟，从而大量的节省新材料研发过程的物力人力，减少环境污染，并且大大的缩短了新材料研发的周期。

材料模拟与计算设计是继实验研究方法、理论研究方法之后的第三个重要科学研究方法，对未来科学技术的发展将起到越来越重要的作用。材料的理论模拟与计算设计是结合现代 的材料科学与技术、物理学基本原理以及计算机技术而产生的新兴学科，已经成为当前材料科学研究中最为活跃的热点之一。

3. 中国的“材料基因工程”计划何时起步？

材料计算模拟与计算设计一直以来都受到了美国、欧盟、日本、新加坡等世界主要国家和地区的重视。2011年6 月24 日，美国宣布了一项总金额超过5亿美元的“推进制造业伙伴关系”计划，其中“材料基因组计划”（其本质是计算材料科学）是其重要的组成部分之一。

“材料基因组计划”拟通过新材料研制周期内的政府、高校及企业之间的合作，注重实验技术、理论计算和数据库之间的协作和共享，通过搜集众多科学研究小组以及企业有关新材料的各种数据和信息，并且构建专门的数据库实现共享。“材料基因组计划”解决了新材料从实验室到工厂过程中的一些问题，有望使新材料的研发周期减半，研发成本降低到原来的几分之一。

中国工程院在2012 年12 月21 日召开了《材料科学系统工程发展战略研究—中国版材料基因组计划》重大项目启动会，掀开了中国材料设计与模拟领域远景规划的序幕。预计到2049 年，中国建国100周年的时候，新的材料设计和模拟方法将不断优化，新材料数据库也将不断完善，材料的理论研发和工厂生产有望实现无缝对接。

4. 介绍一下电子结构计算方法的发展？

材料所有的宏观性质都由材料内部的微观结构决定，因此新材料的研发离不开材料的计算与模拟，准确而有效的理论计算和模拟将会有效的减少材料的研发周期并且降低材料的研发成本。

在材料的计算与模拟过程中电子结构的计算将是影响整个材料性能的关键，材料电子结构的计算方法也随着时代的变迁而进步。

材料电子结构的计算方法基本分为两类，半经验的计算方法和第一性原理计算方法：

半经验的计算方法在归纳总结实验和数据的基础上拟合出相似规律的计算参数并应用到其他的体系上；

而第一 性原理计算方法是指在计算时除了告诉程序你所使用的原子和它们的位置外，没有其它任何实验的、经验的或者半经验的参量。它是通过求解体系的薛定谔方程，从而得到相应材料的各种宏观性质。

理论上任何材料的结构和性能都能从对应的薛定谔方程求解得到，因而第一性原理计算在材料计算与模拟领域便显得十分重要。

第一性原理计算在过去50多年的时间里经历了较为漫长的发展过程，最初电子结构理论的经典计算方法，特别是Hartree-Fock 方法和后Hartree-Fock方法，是基于复杂的多电子波函数的。随后发展起来的密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）是用电荷密度取代电子波函数作为研究的基本量。因为多电子波函数有3N个变量（N 为总电子数，每个电子包含三个空间变量）， 然而电荷密度则仅仅是三个变量的函数，因此，密度泛函理论无论在概念上还是实际应用上都比传统的 Hartree-Fock方法更加方便处理。

5. 原子尺度材料设计与模拟方法的发展如何？

（1）原子尺度材料设计的方法与精度问题

密度泛函理论是原子尺度材料设计最常用的方法，它主要是通过求解Kohn-Sham方程来实现的。 

在Kohn-Sham的框架中，最难处理的多体问题被简化成了一个没有相互作用的电子在有效势场中运动的问题。这个有效势场包括了外部势场以及电子间库仑相互作用的影响，即交换和关联相互作用。

密度泛函理论近似求解方法从最初局域密度近似（LDA）到广义梯度近似（GGA），meta-GGA，hyper- GGA 以及随机相近似的过程。新发展的交换关联泛函或第一原理计算方法能够克服原有方法的某种缺陷和不足，并且比原来的计算方法有更高的计算精度。

密度泛函理论的“雅克比阶梯”

因此，通过不断的修正交换关联泛函或改进计算方法，可以不断的提高材料模拟与计算精度，形成了一个可以达到理想计算精度“天堂”的“雅克比阶梯”（上图）。

（2）原子尺度材料设计的发展趋势

密度泛函理论的发展是随着时代的进步与时俱进的，同时也受着时代发展的制约。一般来说越为精确的方法越是需要越多的计算资源做支撑， 雅克比阶梯上越靠近理想精度“天堂”的方法越 需要极其庞大的计算资源。

目前的第一性原理电子结构计算只能计算原子数目不多的小体系或者周期性的系统，而在原子数目较多的大体系上的 应用还相当困难。

然而未来的材料计算，大尺度的材料计算与模拟将会是一种趋势，尤其是在基于像云计算和量子计算机的快速发展的先进技术基础上，原子数较多的大体系计算也有可能在未来几十年内便可实现。

随着新的电子结构计算方法的不断发展和进步，电子结构的计算误差可以进一步减小，材料计算和模拟的精度进一步提高，计算结果将与实验结果更加接近。

到2049 年时，新的电子结构计算方法，比如新的交换关联泛函的出现，或许能够弥补许多现行方法的不足之处，亦有可能精确的实现计算模拟结果和实际材料性能的无缝衔接。材料的计算模拟的结果都能够很好的与实验结果相匹配，引领实验和新材料研发的方向。

我们只要给出既定的材料性能需求，便可在海量的材料库中找出或者匹配出相应的材料，通过进一步的计算模拟得出最优的结果，再引导实验得到这样的材料，这样在短时间内便可实现需求到产品这样的流程，将会大大缩短人类对新材料的研发周期和研发成本。

6. 分子尺度材料设计与模拟方法的发展如何？

（1）分子尺度材料设计与模拟的概念与分类

在当今材料计算科学研究中，分子动力学（Molecular Dynamics，MD）无疑是一项极其重要的模拟手段。自1957 年Alder 等人首次在硬球模型下，采用经典分子动力学模拟方法成功研究了气体和液体的状态方程来，分子动力学便正式出现在人们的视线里并开始崭露头角。尤其是在20 世纪80 年代后期，得益于日新月异的计算机技术，分子动力学模拟更是得到了飞速发展，被成功地广泛应用于材料， 物理，化学，生物，医学等各个领域。

分子动力学方法会如此广泛的受到科学工作者的青睐自然与它自身性质息息相关。首先分子动力学它是一套结合了物理，数学和化学综合技术的分子模拟方法，而所谓的分子模拟则是利用计算机来模拟实验上原子核的运动过程，从而得到实验上基本无法观测到的原子尺度上的微观细节。故它与蒙特卡洛方法一起享有“计算机实验”的赞誉。但与蒙特卡洛方法相比，利用分子动力学模拟可以计算得到更加准确和有效的热力学量及其他宏观性质。因此作为实验的一个重要辅助手段，分子动力学自然从其诞生伊始便在材料计算与模拟领域大放异彩。

另外，不同于需要求解薛定谔方程从而得到电子波函数的密度泛函理论，经典分子动力学假定原子的运动遵守的是牛顿运动方程。这样，要进行分子动力学模拟就剩下获取原子间相互作用势，即得到相应的电子基态。而采用密度泛函理论理论就能够得到电子基态结构，然而由于该方法计算的复杂，对于超过上百个原子的体系，计算量就已达到惊人的地步。有鉴于此，分子动力学巧妙的利用了经验势来代替原子间实际作用势，如早期常见的二体势（Lennard Jones 简称LJ 势，Morse 势，Johnson 势等） 以及后来出现的多体势（EAM 势等）。如此一来，整个体系的计算量大大降低，故而相比传统的第一性原理计算方法，采用分子动力学所对应的体系无论是在空间尺度还是在时间尺度上都有了质的提 升。

（2）分子尺度材料模拟的基本特点

分子动力学在计算机上实现分子模拟一般来说可以分为如下几步：

1. 设定模拟所采用的模型，主要也就是势函数和力场的选取。常见的势函数如前所述主要就是二体势和多体势，常见的力场包括全原子、联合和粗粒化力场；

2. 确定初始条件，即给定初始构型和粒子的初始速度。一个合理的初始构型可以加快系统趋向平衡，在确定起始构型之后，系统会根据波尔兹曼分布赋予各个原子的初始速度；

3. 趋向平衡过程。当初始条件和边界条件给定后，这时就可以根据牛顿力学以及预先给定的相互作用势来解运动方程，计算粒子的运动轨迹。但此时的系统并非是一个平衡状态， 计算出的能量也并非是稳定的系统的能量，因此此刻得到的物理量是没有实际意义的。为了使得系统达到平衡，模拟中会给系统增加或者移出能量，直到持续给出一段稳定的能量值。那么称此刻的系统达到平衡，到达平衡状态的这段时间称为弛豫时间。 实际上在分子动力学模拟中，为了合理尽快的得到平衡状态，时间步长的选取至关重要；

4. 宏观性质的计算体系达到平衡后，就可以通过沿相空间轨迹来求体系的构型积分，然后以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观物理性质。

下图为其主要流程图：

分子动力学方法在计算机上实现分子模拟的主要流程图

然而经典分子动力学在选用经验势时，虽然可以加快计算，但除了经验势自身的局限性之外，它还完全丢失了局域电子之间强相关作用信息，这样在模拟中它既不能得到成键性质也不能得到电子性质。 为了弥补这一缺陷，1985 年，Car 和Parrinello 在经典分子动力学基础上引入了电子虚拟动力学，首次把密度泛函理论与分子动力学有机结合起来，提出了从头算（ab initio） 分子动力学方法（简称CPMD 方法），极大的改善了传统分子动力学经验势的不足。另外近些年基于SCC-DFTB 理论可以更加准确的研究大规模分子动力学效应。可以说正是第一性原理分子动力学的出现，才使得计算机模拟实验的 广度和深度得到了极大的扩展。

（3）分子尺度材料模拟的发展方向

对于未来分子动力学方法的发展和改善，将主要体现在以下两点。

第一，计算方法的改进。无论是经典分子动力学的经验势还是将密度泛函理论与分子动力学有机结合，无不体现出人类智慧的结晶。 然而人类的智慧是无穷无尽的，尤其是站在先辈的肩膀上，未来更加完善更加精确的方法出现也是指日可待的。不管是通过第一性原理方法来寻找更加精确的交换关联泛函，还是另辟蹊径得到准确的体系微观相互作用，分子动力学势必会得益于此从而在计算材料领域有着更加广泛的应用。届时不仅对传统的吸附传输问题有着更加深刻的理解，极端条件如高温高压下稳定性预测也能成功实现。另外诸如薄膜的形成，材料的生长等一系列复杂的微观动力学过程将会栩栩如生的展现在人类面前；

第二，高性能计算机的发展。现如今计算机技术的发展已令人目不暇接，未来计算机性能更是让人无法估测。可以肯定的是更长时间的动力学演化，更大尺度的体系和更精确的分子动力学模拟都将成为可能。有了高性能计算机的支撑，对于未来的分子动力学模拟，其研究的系统规模可以轻松达到数百万个原子，模拟时间不再是纳秒、微秒量级，而将跨越毫秒甚至达到秒量级，再一次实现计算领域的重大突破。那样一来材料科学应用领域将大幅扩展，实验材料成本大幅降低，新颖材料的理论预测亦将 统统成为现实。甚至利用分子动力学让计算机完全代替实验也未尝没有可能。

总而言之，精度、速度、空间、时间是分子动力学未来发展的风向标，高性能计算机则是推动它前进的动力源泉。毫无疑问的是分子动力学方法必将在材料计算与模拟领域留下极其浓厚的一笔。

7. 多尺度高通量材料设计有何特点？

对于材料性质的研究，理论计算与模拟具有极强的理论指导性及预见性，能够较好的解释实验的结果，并对实验中的不足提出改进，进一步指导实验。理论模拟计算研究材料性质的两种最常用的方法是密度泛函理论和分子动力学。密度泛函理论能从电子的层面探讨材料的光学、磁性、力学等性质，而分子动力学从原子的尺度研究材料的热力学性质。随着计算机技术的飞速发展和新的理论计算方法的应用，多尺度高通量筛选新材料、设计新器件已经成为材料计算模拟领域发展的必然趋势。

高通量多尺度计算来研究及设计材料，是2011年美国提及的“材料基因计划”中的重要概念，是未来实现材料的快速研发及产业化的主要手段，能更好的走出理论设计、实验研究、应用产业化，即学- 研- 产的道路。高通量设计材料，是根据材料的化学组分及基本信息，再基于基本的理论研究方法及材料设计需求，并应用或发展新的算法，植入到或整合现有的理论代码，或发展新的计算模拟软件，来达到设计材料的目的。

多尺度计算，主要是针对材料的不同尺度、不同环境研究需求，在保持精度的同时提高计算速度，从而在不同的尺度下研究材料性质。基于基本理论的高通量多尺度模拟，必将成为设计材料的强力手段。

8. 多尺度高通量材料设计的发展现状如何？

（1）基于多尺度材料设计的结构预测软件发展

高通量计算，即基于基本的量子力学及物质的化学组分，根据外部条件，设定特定的目标函数，来预测或寻找试验中合成的新材料，为实验提供解释或指导，设计新材料。

近年来，吉林大学马琰铭教授课题组开发了功能强大的结构预测软件CALPSO（Crystal structureAnalysis byParticleSwarmOptimization），该软件首次将粒子群算法引入到结构预测之中。该软件可以实现能量目标导向型结构搜索（比如寻找给定原子种类和数目结构的能量最低结构），根据晶体的空间群或者是随机产生初始的结构，对结构进行第一性原理精度（结合第一性原理软件包VASP，CASTEP）结构优化，并将能量作为目标函数利用基因算法或粒子群算法一代一代的进行结构搜索，扫描结构的多维空间，找到能量低的材料结构。 以CALYSPO 为例，其已成功给出了实验上绝缘锂结构，其预测ABA2-40锂结构也被实验所验证。

作为该类方法的发展，更高的要求应运而生：能不能设计针对其他特定目标的结构，以达到实际应用的要求。作为一种扩展，复旦大学的向红军教授便基于太阳能电池材料的基本物理化学性质的要求，在CALYPSO 基础上进行了改进，并成功寻找可能具有直接带隙并可能用于光吸收的Si20-T 材料。结合以上软件的高通量计算，能够空间的寻找结构，从而使得搜索到所需材料的可能性大大提高。

基于以上软件实现的高通量计算，能够更大程度的搜索新材料的结构，但仍然受计算量的限制。 因此降低计算量变得十分需要，对此现有两种方案可以解决。

第一，基于第一性原理的精度及分子动力学的速度情况下进行以上软件的改进，从而能更高效的预测结构。例如王才壮教授等人便对传统GA 结构预测软件进行了改进，用到程序中第一性原理计算的拟合势力场，用拟合的势场结合分子动力学预测结构并用第一性原理计算软件验证，其可以在提高搜索空间的情况下大大降低计算量。

第二，根据化学成键规律来减低搜索的空间。

（2）化学反应的多尺度设计与模拟方法

除了预测新结构，也可以针对现有结构进行的掺杂、过渡态的进行高通量处理。例如，利用clus-ter expansion 与 Monte Carlo 相结合的ATAT（Alloy Theoretic Automated Toolkit）软件，根据第一性 原理拟合展开集团相互作用（effective cluster interaction）来研究合金、锂电池材料及其他掺杂或空位 材料的性质。这种方法，既可以实现高通量计算，也可以降低计算量。另外，对于涉及到化学反应等过 渡态问题，由于其涉及到多个能量低点，并寻找两种态之间可能低的能量势垒。复旦大学刘智攀教授基通过利用随机游走方法寻找光滑的势能面，来解决此类问题。

9. 多尺度高通量材料模拟未来发展方向？

（1）多尺度材料智能搜索程序的发展

对于未来高通量多尺度的发展，应该更贴近基础理论的发展及算法改进、基于结构的物理化学性质的高通量筛选、更大尺度的系统考虑材料的性质等方向。

我们现有的高通量的智能搜索程序，能解决很多问题。更多的考虑材料性质导向性，并且能够解决众多的问题。

例如，如果我们想要寻找更好的热电材料，我们应该在前面提到软件的基础上进行定向的粗略筛选。充分考虑到电子、空穴有效质量，材料的形变能及带隙对热电材料的要求，来达到目的。

在电池领域的研究中，氧化还原反应是其中的核心，合金材料可能会有很大的催化活性及极高的经济效益。并可以根据初始的氧化还原反应对材料化学性质 要求来实现，比如氧原子的在催化材料吸附作用适中是氧化反应的前提，因此基于cluster expansion 方法寻找合适的合金材料（材料的基本结构），来指导实验合成。

另外，可以发展化学反应的势垒面，比如在催化反应中寻找整个反应的最可能路径，最大程度的实现高通量筛选。

（2）新型功能材料的多尺度设计与模拟

新型功能材料的理论设计，离不开对其基本物理化学性质的要求。高通量的计算，要基于对材料性质的研究。

实现特定功能的某一类材料，应建立相应的数据库，并对其基本的性质进行相应描述，并 且可以设置成为网络共享的资源，材料设计所用。而新材料设计，除了要寻找及预测新的材料，也要综合先前材料的性质，对其进行相应的合理拼接或是组合，以期望能提高一种或几种性能，实现材料的最优化设计。

首先，为了实现特定功能，可以利用现有材料的综合特点整合来实现。比如，在太阳能领域的光催化材料，应有较强的吸光能力，并且光产生的电荷空穴应有效分离，来更有效的传导光产生的电流。在现有的光催化材料中很少有单一的光催化材料能实现此类功能。因此，对两种或者更多此类材料做成的p-n结有可能更好的实现此类功能。因此，高通量计算能够针对不同的光催化材料进行筛选，并建立相应的库，能更快实现光催化效率的提高。

其次，作为材料的系统设计，应充分考虑材料与周围环境影响（材料与其他材料或液体的接触），可能使不适合的某种目的材料能克服其缺点。通过高通量的筛选，可实现传统材料的性能大幅度提高。

最后，材料的设计应考虑其经济及其实际意义，通过高通量计算来实现新型替代材料的产业化。例如，金属铂在燃料电池中具有极高的催化效率，而地球中金属铂元素含量及其稀少。因此，高通量计算应该针对此类为题进行大量的理论及实际设计，设计出更有效地 催化材料。

多尺度的计算材料设计，主要应从两方面进行考虑：

同一材料不同尺度的模拟及不同材料在相同尺度的模拟。再结合高通量的材料计算和模拟，以便缩短材料设计周期，提高计算材料的可靠性。

首先， 应通过对不同材料不同尺度的模拟，更好的了解其性质。第一原理与分子动力学结合，是其中的发展方向之一：对于大体系的材料，部分通过分子动力学模拟和核心部分进行第一性原理模拟相结合。

另一发展方向是以第一性原理研究其基本的性质并建立适当的势能函数，用分子动力学描绘其更大的体系已达到介观甚至宏观的尺度。

再者，应对材料的系统性设计时考虑不同尺度的模拟。例如在太阳能电池设计工程中，对于太阳能电池对太阳光的方向，光在太阳能电池外层的透光材料、吸光材料及收集电流的电流材料进行多尺度系统研究，提高其效率，并且进一步提高材料的系统有效性。

未来高通量多尺度的设计，应该从基本理论计算方法的开发、满足某一特性材料的物理化学基本特性的探索、新结构预测及特定目标导向性结构预测算法及软件的开发为工具，结合材料基本库的建立及共享、已有材料特性的借鉴设计，设计新型或合成材料，并通过高通量多尺度的模拟以期望缩短新材料从设计到应用的周期。

10. 材料数据库的发展现状如何？

（1）材料数据库的用途

伴随着计算机技术及网络技术的发展和普及，材料数据库技术已经开始蓬勃发展。美国、欧盟、日本、新加坡等世界主要国家地区都非常注重材料计算与模拟的发展，组织实施了一系列相关的研究计划和项 目。

特别是2011 年6 月美国发布“材料基因组计划”后，引起了各国对材料计算与模拟的进一步重视。我国也于2011 年12 月召开“材料科学系统工程”香山会议，重点研讨材料计算与模拟的发展。

就目前情况而看世界各地一些科研院所、高校等单位开始建立自己的材料数据库包括力学性能数据库、金属 弹性性能数据中心、材料腐蚀数据库、材料摩擦及磨损数据库、高温材料数据库，HT-DB 收集各种金属、非金属、复合材料的力学和热力学数据等。

材料数据库的建立，有利于减少材料的重复实验和测试，对缩短新材料的研发周期，节约新材料的研发成本具有非常积极的作用。

（2）材料的设计与模拟是材料数据库的重要来源之一

就目前的发展来看，这些国内外的数据库多数展现出功能单一，数据量较少，覆盖面较窄，且共享性差等一些特点。

传统的材料数据库主要来源于实验合成的数据，随着理论方法的发展，特别是计算机技术的飞速发展，从而使得理论计算预测材料成为可能。

云计算集中各种闲置的计算资源，打破了传统的地域格局（以虚拟运营形态），提出了对云服务使用者、运营者、行业监管和国家政策法规等新的挑战。基于多尺度高通量计算（云计算）引入，将可以大大的增加理论预测材料数据，这无疑会丰富数据库的内容。

另一方面，网络技术的进一步发展将使材料数据共享功能大大提高。因此如何建立与云计 算有效的相互关联的材料数据库是个亟待解决的重要问题。由于计算材料数据库是综合物理，化学及生物的交叉学科的数据库，为提高材料高级科学发现、缩短材料开发和产业化周期方面发挥着重要的作用。

11. 常用材料数据库有哪些？

（1）材料基因工程数据库

材料基因组计划，是2011 年6 月24 日美国总统奥巴马宣布启动一项价值超过5亿美元的“先进制造业伙伴关系”（Advanced Manufacturing Partnership）计划。

该计划呼吁美国政府、高校及企业之间应加强合作，以强化美国制造业领先地位，而“材料基因组计划”（Materials Genome Initiative）作为“先进制造业伙伴关系”计划中的重要组成部分，投资将超过1 亿美元。“材料基因组计划”是美国经过信息技术革命后，充分认识到材料革新对技术进步和产业发展的重要作用，以及在复兴制造业的战略背景下提出来的。数据共享与计算工具开发对“材料基因组计划”的成功至关重要。

先进功能材料复杂的物理与化学特性可以因不同的应用需要而相应调整，并可以在合成、生产和使用过程中改变。对这些特性的跟踪是一项非常艰巨的任务，“材料基因组计划”的努力还包括将术语、数据归档格式和指南报告标准化，并建立了一个大型的材料数据库（https：//materialsproject.org/）。

目前该数据库已经初具规模，它已经包含了6 万多种化合物，4 万多种能带结构信息，以及1万多种锂电材料的基本特性，并且各种新的材料数据在不断的增加和完善。目前材料基因工程数据库极大的方便了材料研究人员与企业设计者的沟通与合作，提高了新材料研发的效率，并能够有效的降低新材料的研发 成本。

（2）其它的常用材料数据库

A. 无机晶体结构数据库

无机晶体结构数据库（The Inorganic Crystal Structure Database， 简称ICSD）。由德的FIZ（Fachinformationszentrum Karlsruhe）和The Gmelin Institute （Frankfurt） 联合编辑。

无机晶体结构数据库收集并提供到目前为止所有试验测定的、除了金属和合金以外、不含C–H 键的无机物晶体结构的信息，包括化学名和化学式、矿物名和相名称、晶胞参数、空间群、原子坐标、3D晶体结构图、热参数、 位置占位度、理论粉晶衍射图、R 因子及有关文献等各种信息。

该数据库从1913年开始出版，至今已包含近10万条化合物目录。每年更新两次，每次更新会增加2000种新化合物，所有的数据都是由专家记录并且经过几次的修正，是国际最权威的无机晶体结构数据库。

B. 宇航结构金属数据库

宇航结构金属数据库（Aerospace Structural Metals Database，ASMD）是宇航结构金属手册（Aerospace Structural Metals Handbook，ASMH）的网络版。

宇航结构金属手册是一部6卷的关于合金的手册，这些合金被用于汽车、建筑材料、学术和航空领域。其主要数据由美国空军材料部（位于怀特- 帕特森空军基地，俄亥俄州代顿市）与美国普渡大学合作设计和开发。

普渡大学（Purdue University）的一个部门叫做情报与数值数据分析和综合中心（the Center for Information and Numerical Data Analysis and Synthesis，CINDAS）。它由美国国防部提供经费资助，专门从事材料性能和处理领域的复杂的和系统的研究项目长达45年，承担着材料基本特性的情报处理中心的作用。

宇航结构金属手册共出了四十多版，现已停止纸本和光盘的出版。宇航结构金属手册网络版（ASMD）不仅继续更新数据，而且提供便于浏览、检索的用户界面。宇航结构金属数据库包含了超过220 种合金，如：不锈钢、镍合金、镁合金、钛合金、铌合金、钼合金、钴合金、铍合金、钽合金、钨合金，内容极其广泛，总计超过8 万条数据曲线。

宇航结构金属手册网络版收录的合金材料数据有多个来源，其中包括美国空军材料部和美国国家航空航天局（NASA）。新增加的合金数据会经过专业人员的严格筛选后，不断被添加到数据库中。

（3）结构合金手册

结构合金手册（Structural Alloys Handbook，SAH）手册最初用于协助设计者选择金属和合金，是 一个包含实证过的试验数据和金属性能信息的数据库。结构合金手册包括了用于建筑、重型设备、机械 工具、汽车和一般制造业中常用的重要金属和合金，有铸铁、煅钢、锻制不锈钢、铸钢、锻造铝和铸铜、 黄铜、青铜、铝、镁、钛等多种不同金属材料。结构合金手册提供这些金属材料和合金材料的典型的、 详细的描述数据。

D. 工程材料数据库

工程材料数据库是针对机械行业专业人士查询材料数据信息而开发的大型材料数据库。该数据库软件为用户提供常用材料标准数据、型材数据信息、国内外常用材料牌号对照等几部分数据内容。

常用材料标准数据包括九大类约1200余种常用材料的化学成分、化学性能、物理性能、力学性能、工艺性能、材料用途等标准数据，可供机械行业专业人士方便查询；型材包括型钢、钢板及钢带、钢丝、 钢丝绳、钢管、有色棒材及线材、有色带材及箔材、板材、有色管材等9 大类型材的尺寸规格、工艺性能、腐蚀性能、力学性能、允许偏差等数据；国内外常用材料牌号对照则主要包括钢材（500 余种钢材）及有色金属材料的中国、美国、德国、前苏联、日本、法国、英国、台湾等地区的材料牌号及之间的对照关系，可以实现同一种材料在多个国家之间的正查、反查功能，该部分内容能够充分满足从事加工生产及材料贸易的用户对材料牌号对照关系的要求。

工程材料数据库为用户提供了丰富的数据资源和便捷的查询方式，设计人员可以快速查询需要的材料特性及相关信息，从而节省大量翻阅手册的时间，工程材料数据库中一些由科研人员提供的材料数据信息，这不仅仅是节省设计人员查询时间的问题，这些数据对于实际生产企业，具有极大的价值。

12. 材料数据库的发展方向？

（1）利用高通量多尺度的材料理论计算丰富数据内容

目前计算材料数据库种类数量较少，数据内容非常不全面，以前的材料数据主要集中在分子、晶体等层面。将来可以通过开发各种材料数据结构搜索及利用云计算资源，极大的丰富数据内容。

首先， 从材料结构的维度上能有大量的补充，从零维的各种团簇结构（现有的金，铜团簇扩展到元素周期表中其他各种元素的团簇），一维的各种纳米管结构（现有的石墨烯，氮化硼等其他各种不同组分的纳米管）、 二维层状结构（石墨烯，硅烯，氮化硼等到其他各种组分的平面结构）到三维的晶体结构。

其次，除了 各种完美的结构，通过云计算进行有效的预测，各种不同比例的掺杂体系将在计算材料数据库里面大大的补全。

再次，基于目前材料数据库里面的数据都是一些静态数据，然而对于一些动态数据却知之甚少， 如相变过程、过渡态搜索及化学反应过程等数据将会有大大补充。

最后，计算材料数据库的内容将会涵盖不同领域材料，从化学领域，物理领域，生物领域直至整个材料领域。

（2）利用先进的信息技术完善材料数据库的功能

基于目前计算材料数据库功能较单一，随着计算机技术和互联网技术的发展，材料数据库技术的功能性也将日臻完善。

功能由单一走向多元化。这主要体现在搜索结果，输出结果和功能性等方面。在搜索结果方面，不仅可以做到根据材料组分进行搜索，也可以根据材料的特性进行专业性的搜索。在输出结果上，不但能像普通数据库那样对定量化的数据进行处理并输出，而且还能根据用户需求以图、表、数字、曲线等多种方式输出。

在功能性方面，更加多样化。材料数据库不再仅仅是作为一本电子材料手 册来使用，而且还要为实际应用如工程设计、选材、材料分析等提供服务。

（3）材料数据库的智能化

在系统性方面，计算材料数据库的建立将更加系统化。材料总是作为一个系统而存在的，在使用材料的过程中，环境不同，材料所表现的性能也会发生变化（比如不同压强，不同湿度，不同温度下材料的性质将发生变化），从而使得材料数据库的建立也必须进行系统化的综合考虑。材料数据库将会向更加系统性、网络化、智能化、现代化、商业化和标准化的方向发展。

（4）利用互联网技术完善材料数据库的共享

基于目前计算材料数据库地域性较强，随着计算机及网络技术的进一步发展，计算材料数据库将朝着资源共享的方向发展。将做到随时随地都能够有效的进行数据搜索。

同时，随着网络技术的进一步完善及材料数据库的进一步完善，计算材料数据库的管理方式也提出了新的要求，数据库的管理将朝着系统性，智能型等方向发展才能有效的将各自分散的数据库整合及统一管理。从而减少各个数据库之间的重复及对资源的浪费。同时，材料数据库管理也需要有自我检测及修复的功能。改进的数据共享系统和综合管理团队使设计、系统工程和制造业相互交叉，互相影响，缩短从新材料的发现到投入市场的周期将是增强国内制造业的竞争力、保持经济持续增长的一个关键驱动力。更多的将计算和信息技术与表征和实验相结合——用数学模型和计算机模拟代替耗时且昂贵的实证研究，大幅度加快材料部署的时间、增加材料部署的数量。

公共材料数据库的优势将让人难以拒绝。可以试想一下它能够带来的好处：有弹性延展性，能常规网络访问，可结合移动平台，按照使用次数计费，提高效率，降低资本成本，以及获得分布广泛的结构与非结构化数据。

纵观当代新兴科学技术的发展历史，人类在征服自然界和宇宙空间以及微观世界的过程中，历经了崎岖不平的道路。科学技术的进步，开拓了新材料的研究范围，推动了新材料学科向更高、更新、更智能的方向发展。同样，新材料科学技术的发展推动了化学和化工产业结构的变化。先进功能材料、纳米材料、智能材料等新材料的广泛应用，极大的改善了人类生产方式和生活水平。我们也会看到，探索新材料的过程中，新型的材料模拟和材料计算方法在缩短新材料研发周期和降低新材料研发成本上起了至关重要的作用。

（来源丨新型工业化，作者丨刘利民，《材料基因工程:材料设计与模拟》）