通过材料计算技术实现从“what”到“how”的转变
通过计算模拟研究材料在极端环境下的使役行为
预测新材料结构和性质
开发新材料制造工艺等
一、实现从“what”到“how”的转变
在探索研究过程中，“what”已经不能满足材料科学家们的探索欲望，他们更希望探索“what”背后的原理——“how”，而材料计算技术成为了科学家们探索“how”的新工具。
“超硬石墨”的出现、预测到验证
1963年，Aust和Drickamer等人在常压下压缩石墨得到了一种新型碳结构，其具有透明、超高硬度等类似金刚石的特点，但其他特点与金刚石和其他的碳同素异形体不相同，科学家们当时并不理解为什么。
直到2006年，事情出现了转机，美国纽约州立大学石溪分校（SBU）Oganov教授等人预测了这种新的“超硬石墨”结构，并将其命名为“M-碳”，该研究在当时引发了一系列相关的研究，研究者们陆续提出了诸如“F -”、“O -”、“P -”、 “R -”等一系列以字母开头的碳结构。
Oganov认为，由于形成金刚石所需的能量势垒较高，低温下压缩石墨不足以克服这一能量势垒，但石墨会转变为与较低能量势垒相适应的另一种形式，只要找到石墨转变所需的最低能量势垒，就可建立正确的“超硬石墨”结构模型。
2012年Oganov教授采用分子动力学模拟的方法证实了此前预测的超硬“M-碳”结构及其性质，并与实验结果完美吻合，证实了“超硬石墨”结构正是早前他提出的“M-碳”结构。
苏刚团队预言“T-碳”，中外科学家联手合成
2011年，中国科学院大学苏刚课题组组通过大量对比研究后提出，如果将立方金刚石中的每个碳原子用一个由四个碳原子组成的正四面体结构单元取代，将会形成碳的一种新型三维立方晶体结构。
他们基于密度泛函的第一性原理研究，发现这种结构在几何、能量以及动力学方面都是极其稳定的。他们把这种碳的新型同素异形体命名为T-carbon（T-碳）。T-碳具有与金刚石相同的空间群，是一个具有直接带隙的半导体，可通过掺杂来调控带隙以适用于光催化。T-碳还有一个鲜明特点，密度非常小，约为石墨的2/3，金刚石的一半。
6年后，西安交大和新加坡南洋理工大学联合研究团队，成功地实现了从sp2到sp3化学键的转变，其形成的新型碳材料与理论预测的T-碳完全一致，证明合成了T-碳。
你以为沸石只有有200多种？但理论上存在270万种！
沸石拥有完美的晶格结构，其作用是只允许特定大小的分子通过，还可吸收气体等，在工业上被用来制造洗衣粉，或可将石油裂解成汽油、柴油和其他产品，以及在核发电厂中用来吸收放射性离子。
到目前为止，已知的沸石种类有200种之多，沸石到底有多少种结构谁也说不清楚。
2009年，美国莱斯大学的Michael Deem教授通过蒙特卡洛方法计算发现，沸石实际的种类可能远远不止于此，可能存在的种类约为270万种。
二、预测新材料结构和性质
研发新型催化材料，计算模拟已成标配！
随着欧洲对大气中氮氧化物（NOx）的浓度提出了越来越严格的立法限制，寻找新型、可有效捕获、可分解 NOx的催化剂就显得较为迫切。
2012年剑桥大学Stephen Jenkins率领的研究团队通过电子结构方法（CASTEP），探究了黄铁矿的催化活性。研究人员重点关注了黄铁矿与空气污染物NOx之间的反应。下一步，研究人员计划将黄铁矿应用于具有战略意义的产业反应过程，如生产肥料用的氨、从可再生生物质中合成碳氢化合物燃料、提取燃料电池电动汽车用的氢等。
关于计算模拟在催化领域的应用，这篇文章会给出更多信息：
模拟预测石墨烯的近亲—Graphyne
2012年德国埃尔兰根-纽伦堡大学的研究人员通过计算机模拟发现了一种被称为Graphyne的材料，这种材料属于石墨烯的“近亲”，二者的不同只在于原子键的类型不同。石墨烯原子之间为双键连接，Graphyne则存在三键连接，这让Graphyne呈现出不同的几何结构。迄今为止这种材料合成量非常少。
研究人员经过电子密度泛函理论模拟研究，展示了3种不同类型的Graphyne材料，它们都具有与石墨烯类似的狄拉克锥电子结构，这证明许多其他材料都有可能具有此类电子结构。这种Graphyne 的另一特征是其本身就存在导电电子，而无需像普通石墨烯那样需要“掺杂”非碳原子引入导电电子，该材料有望在电子器件中得到新的应用。
无法观测到C60凝胶的形成过程，但可以精确模拟！
2011年2月，英国布里斯托尔大学（Universityof Bristol）和澳大利亚国立大学的研究人员利用分子动力学模型研究了富勒烯（C60)形成凝胶的可能性和稳定性。研究结果表明C60在适当条件下能形成凝胶。这意味着碳可以形成金刚石、石墨、石墨烯以及凝胶等物质。
这种凝胶有一种特殊结构，叫做旋节凝胶（spinodal gel）。 研究人员表示，这种碳凝胶形成需要10ns，在室温下存在时间为100ns。研究人员可以模拟这种凝胶的形成过程，但这类模拟都很难以调整，C60凝胶最终会分裂为水晶和气体，也有可能会更倾向于结晶。
模拟→制造→再模拟，完美塑料”的诞生
2011年英国利兹大学和杜伦大学的研究人员研究出一种塑料的“配方书”，可以帮助专业人士开发出具有特殊功能和性质的“完美塑料”。研究人员在研究过程中使用了配位聚合物动力学数学模型，这种模型由2部分计算机代码构成，第1部分代码根据聚合物条状分子结构计算出聚合物的流动方式，第2部分则对此类分子可能构成的形状做出预测。研究人员再根据实验室制造合成的“完美塑料”来改进这些模型，这一突破意味着人们能够按照自己意愿制造出更有效且具有特殊功用的塑料，这对工业和环境都将产生巨大的影响。
预测第3种碳单质结晶：K4
2009年日本东北大学材料研究院Yoshiyuki Kawazoe教授领导的研究小组通过“第一性原理”电脑模拟证明除金刚石和石墨以外，还存在第3种碳单质结晶：K4。
这是sp2 杂化碳的一种三维晶体结构，可以看作是sp3金刚石晶体的孪晶。该晶体结构具有如导电性等金属特性，将来有望只利用碳元素来制作集成电路。
虽然采用数学方法能够证明碳单质除了金刚石和石墨这2种结晶以外还存在第3种形式的结晶结构，但是这种结晶是否实际存在，却一直是个谜。研究小组利用原子间的距离来进行计算，得到的预测结果是这种结晶在特定条件下可以稳定地存在。
三、省钱省力，模拟材料在极端环境下的使役行为
为了研究材料在极端环境下的使役行为，除了要兴建价格高昂的实验室，还需要进行长时间的测试来研究材料的疲劳、老化等问题，而材料计算科学可节省大量的时间与金钱。
飞机制造商会逐渐增加碳纤维复合材料（CFCs）在飞机上的使用量，但CFCs独特的结构会产生重大缺陷。CFCs中各层碳纤维的取向都不同，因此复合材料具有高导电、高导热等异性，如果每层的不同部位因雷击而损坏，则复合材料难以修复。
2010年，英国南安普敦大学的研究人员研究了雷击对飞机用CFCs造成的潜在损坏影响，以减少损失和维修费用。
该校Golosnoy博士研究小组正与欧洲宇航防务集团（EADS）创新中心（英国）展开为期3年的项目，旨在评估雷击对于飞机机身和发动机叶片用CFCs的影响。研究人员通过模拟雷击在复合材料上形成的电流和热场，针对雷击对复合材料造成的损害建立了详细的信息库，并提出维修和保护建议，并对CFCs的自身修复能力进行研究。
该项目主要是针对雷击现象的基础物理学性能进行研究， Golosnoy博士计划开发定性数学模型，预测机身遭受雷击时的行为，并且还将对复合材料接合处热电性能的参数进行分析。
四、开发新材料制造工艺
新材料往往具有特别的物理化学性质，如何对新材料进行加工是摆在工程人员面前的一道难题。材料计算技术能够通过计算机模拟仿真来探索新材料的制造工艺，不但能大幅缩短新材料进入实际应用的时间，还能大幅降低新材料研发所需的成本。
先模拟，后制作—完美的形状记忆合金制备
形状记忆合金的特征非常复杂，因此很难预测。在制成一个拥有期望特性的真正可用部件之前，工程师们不得不制作许多原型。2009年德国弗劳恩霍夫材料力学研究所（IWM，Fraunhofer）的研究人员在原型制作出以前，就已经借助数值模拟解决了许多问题。借助数值模拟，科学家们已经开发出各种形状记忆物品，包括用于内窥镜检查的极小镊子等。通常情况下，这种微型镊子都有接缝。
那么，IWM的研究人员是如何制作这种具有弹性、完全消毒又没有接缝的小尺寸元件的呢？
电脑给出了答案：在数值模拟模型的帮助下，研究人员能够事先计算出元件最重要的特征，比如它的强度和夹紧力，进而有效地开发和制造这些弹性元件。
通常情况下，需要通过制作各种原型进行试验。通过利用数值模拟，研究人员能够避免制作大多数原型，这样可以降低成本。因为形状记忆合金的原料是非常昂贵的，而且有时很难处理。此外，研究人员可以通过模拟，预估这些新型材料的耐久性。
寻找硅基半导体替代品，计算模拟探索加工工艺
2012年美国威斯康星大学麦迪逊分校对复合金属氧化物材料的加工工艺进行了探索。厚度为几个原子直径的金属氧化物材料具有独特的电、光和磁学性质，使它们有望成为传统硅基半导体的替代品。将各种复杂结构的金属氧化物材料制成新型复合金属氧化物材料，从而拥有充满想象的、令人兴奋的新特性。该研究团队从计算机生成的理想模型，测试不同结构、不同成分的新型金属氧化物材料，改进理论和重复整个过程，直到找到具有独特性能的、正确的材料及加工工艺。
如前所述，由于材料计算方法能够让科学家更深入地了解材料性质并支撑新材料的研发工作，因此国外很多企业已经将材料计算方法用于军工装备制造。
通用电气公司如何将开发速度提高50%？
2001年美国国防部高级研究规划局（DARPA）启动了快速插层材料（accelerated insertion of materials，AIM）计划，最初材料计算科学没有进入涡轮发动机设计流中，但在随后的一年里，材料行为模组被引入，实现了设计矩阵和响应面生成，之后材料行为模组就完全集成到了设计流中。
通过这项工作，Pratt& Whitney公司展示了能够在降低锻造质量21%的同时，将轮盘破裂速度提高19%。通用电气公司能够将轮盘合金的开发速度提高50%。此后依据DARPA AIM的投资计划，美国成立了ONR / DARPA“D3D”数字结构联盟，该联盟旨在实现更高保真度的微结构表征和模拟，对AIM计划予以支持。
商业化典范— Ford汽车研发成本如何节省数百万美元？
主要用于汽车发动机汽缸缸体和缸盖的铝合金压铸件，对快速开发并制造出高质量的铝合金压铸件提出了较高的要求。传统的制造流程为设计-制造-测试-再设计-制造-再测试，直到产品开发成功。整个过程费力、耗时又昂贵，远不能满足现代制造业的需要。
对此，美国福特（Ford）汽车公司开发了一套虚拟铝压铸（VAC）设计制造系统，使样品的“设计-制造-测试”全流程都可以在电脑上完成，并能进行产品性能的微调优化，使得铝压铸件产品设计周期短、制造效率高、材料特性可控制调节、产品耐久性能可预知，并且节约了高昂的制造开发成本。采用虚拟铝压铸技术后，Ford汽车公司节省了数百万美元。
虚拟铝压铸系统主要通过商业压铸模拟软件MagmaSoft、ProCast、ABAQUS等搭建起了全制造和测试流程的基础性虚拟框架：压铸模型和热处理（即制造工艺）模型-局部微结构-局部材料性能-材料残余应力分析和产品耐用性预测评估-反馈至制造工艺优化，见下图。
另外，虚拟铝压铸系统还结合了子程序OptCast以优化不同几何形状的压铸和热处理工艺模型，细化丰富了制造工艺参数模型，建立了制造工艺模型一一对应的局部材料微结构模型。微结构包括从分子态的共晶相、沉淀强化相、枝晶粗化，到纳米态的相沉淀，再到微孔形成和合金相分离及成分确定。在微结构模型的解析和建构过程中，采用了MicroMod、Pandat、Dictra、NanoPPT等诸多子程序或现成的相图计算工具，全面反映了不同制造工艺尤其是热处理条件对微结构形成的影响。
此外，还有其他许多企业和研究机构，包括利弗莫尔软件技术公司、 ESI集团、海军水面作战中心、诺尔斯原子能实验室、丰田中央研发实验室、 QuesTek公司以及波音公司，都采用过将材料计算方法用于整合材料、部件设计以及制造工艺，见下表。
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