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1、材料科学进展 材料设计漫谈,主要内容,哲学与研究 人类思维方式的演变 什么是材料设计 材料设计的范畴与层次 应用实例,哲学与研究,哲学是人类认识世界的最高层次的思考。 寻找世界的本原问题； 人类在世界中的位置，即人类作为认识的主体在研究中的重要性。 了解哲学是从总体上、大局上把握世界；把握研究的方向，不至于走入死胡同。,付里叶变换,Fourier是法国大革命时期的数学家，他在频谱分析领域做有卓越的贡献。 在当时，拿破仑时代，科学界流行一种哲学：世界是有“基元”组成的，任何一种物质只是基元的加权的代数和。基元是什么？ 运动是物质的一种存在形态，也应该具有一种相同的特性，即运动应由基元组成。,付里
2、叶变换（续）,Fourier通过研究“振动弦”的运动得出一个规律：即振动弦的运动可以分解为多个“正弦”信号的和。 又通过对很多现象的研究，Fourier得出一个结论：任何一个信号可以分解为多个“简谐周期函数”的加权和，而sin(x)、cos(x)是最简单的“简谐周期函数”。,付里叶变换（续）,由此，付里叶得出如下的结论：,任意时间周期信号,基元,权值,常量,付里叶变换（续）,从当时的角度（哲学观点）来看，是任何一个信号可以表示为“正弦”信号的加权和，符合哲学观点，推导正确。 当Fourier将论文提交给法国研究院，由Lagrangri等三名数学家组成的委员会没有允许该论文的发表，原因是该数学推
3、导不严格， Lagrangri提出对于处处不可导的信号（函数）该理论不成立。,神经元理论,神经元网络：神经元网络(Nerual Net)指由大量神经元互连而成的网络，有点象服务器互连而成的国际互连网(Internet).人脑有1000亿个神经元，每个神经元平均与10000个其他神经元互连，这就构成了人类智慧的直接物质基础。,y,x1,x2,x3,xn,w1,w2,w3,wn,Artificial Neural Network(ANN),神经元网络,是根据生物的神经元组成而得来的 两态工作，即只有兴奋和抑制两个状态 阈值作用，超过某个阈值，神经元兴奋 多输入、单输出，树状突起获得众多输入，轴突单
4、输出 空间、时间叠加 可塑性连接，突起的连接强度可调节,神经元网络（续）,每个神经元是基元，任何一个函数f(x)可以通过神经元的加权和而得到。神经元的数目可以选择，层次的个数可以选择，原则上三层以上即可以模拟任何一个函数（包括线性函数、非线性函数）功能十分强大！ 网络模型构建后，需要获得权值，权值的获取方法是训练。即选择足够的训练样本空间，对模型中的连接进行训练，训练完成，既可以用于相关的应用。,神经元网络（续）,一个非常好的思路，可以同时解决线性和非线性问题！ 问题是：训练样本空间与应用样本空间不是一个集合，用训练样本空间训练出来的神经元模型对于样本空间的样本是最优的结果，而对于应用样本空间
5、就不一定是最优的结果！ 例如：应用神经元网络识别09个数字，选定三层神经网（输入层、隐含层、输出层），隐含层包含128个节点，训练样本空间选择09的手写数字分别为100个，共1000个样本集。,神经元网络（续）,训练结束后，对于样本空间的样本的识别率可以达到100%，而如果选择一个手写的字母“A”作为识别样本，发现他也会得出一个09之间的一个结果，显然出现了误识。 那么误识率会是多大？,结 论,在世界是由基元组成这一哲学思想下，产生了一系列的十分有效的技术，可见哲学对研究的意义。 相反，如果没有一种哲学思想，我们的研究如何归纳总结出一种一般的规律？总结出的规律正确与否？,材料科学发展,年代,科
6、学技术性,原始使用材料阶段,合成加工材料经验技术阶段,认识微结构进入材料科学阶段,微结构模拟材料科学的新阶段,当前的水平,人类思维方式的演变, 当今，多学科交叉的复杂性研究正引导着科学观离开传统的“还原论”而走向“系统论”。中国科学院院长路甬祥在世界科学大会上的讲话，1999年6月26日于布达佩斯，载于1999年6月29日“科学时报”。,人类思维方式的演变, “近年来，在讨论学科的交叉与整合的过程中，国外有专家认为，对复杂系统的精确与完整的描述，是整个科学领域中不亚于细胞生物学和生态学的挑战”。中国科学院院士戴汝为，2001年1月1日，“科学时报”，十大领域院士评述学科走势专栏。,人类思维方式
7、的演变, 经典科学强调可逆和稳定性，自然法则表达确定性，即科学与原因有关，与概率无涉。现代科学强调有序和不稳定性，自然法则表达可能性，即科学与原因有关，与概率有涉。科学不再等同于确定性，概率不再等同于无知。系统科学将融合它们去创建新自然法则。史定华评诺贝尔奖得主普利高津确定性的终结时间、混沌与新自然法则一书，2001年10月9日，“科学时报”。,什么是材料设计,材料设计,材料设计(materials design)，是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者说，通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料。这当然说的是人们所追求的长远目标，并非目前就能充分实现的。尽管如此，由于凝聚态物
8、理学、量子化学等相关基础学科的深入发展，以及计算机能力的空前提高，使得材料研制过程中理论和计算的作用越来越大，直至变得不可缺少。材料设计,材料设计受重视原因,固体物理、量子力学、统计力学、计算数学等相关学科在理论概念和方法上有很大发展，为材料微观结构设计提供了理论基础。 现代计算机能力的迅速提高，使几年前在数学计算、数据分析中还认为无法解决的问题已经有能力解决。 科学测试仪器的进步，提高了定量测量的水平，提供了丰富的实验数据，为理论设计提供了条件。同时，反过来，在这种情况下更需要借助计算机技术，将理论与实验沟通起来。材料设计,材料设计受重视原因,材料研究和制备过程的复杂性增加，许多复杂的物理、
9、化学过程需要用计算机进行模拟和计算，这样可以部分地或全部地替代既耗资又费时的复杂实验过程，节省人力物力。更有甚者，有些实验在现实条件下是难以实施的或无法实施的，但理论分析和模拟计算却可以在无实物消耗的情况下提供信息。 以原子、分子为起始物进行材料合成，并在微观尺度上控制其结构，是现代先进材料合成技术的重要发展方向，例如分子束外延、纳米粒子组合、胶体化学方法等对于这类研究对象，材料微观设计显然是不可缺少的并且是大有用武之地的。材料设计,材料设计在材料研究中的地位,美国国家科学研究委员会（1995）材料设计（materials by design）一词正在变为现实，它意味着在材料研制与应用过程中理
10、论的份量不断增长，研究者今天已经处在应用理论和计算来设计材料的初期阶段。 材料科学的计算与理论技术,材料设计在材料研究中的地位,美国若干专业委员会（1989）现代理论和计算机的进步，使得材料科学与工程的性质正在发生变化。材料的计算机分析与模型化的进展，将使材料科学从定性描述逐渐进入定量描述阶段。 90年代的材料科学与工程,材料设计在材料研究中的地位,973重大基础研究计划 863高技术研究计划 自然科学基金重大基础研究材料微观结构设计与性能预测研究专题,材料科学研究四要素,6 材料设计的范畴与层次,材料构造的基本特征,多尺度蕴藏于物质世界、科学技术和工程的诸多领域: 宇宙形成、生命现象、大气环
11、流，材料的成型与应用，以及物理和化学中的量子效应等。空间和时间方面的跨尺度与跨层次现象，以及相应的多尺度耦合反映了物质世界构造的基本性质。,夸克 粒子 原子核 原子 传统物理 行星 恒星 银河,稳定态 （奇特物质？）对称性 量子色动力学,核医学 子化学SU3对称性奇异性 质子 中子半径,核融合 反应堆 同位素技术 核裂变 E=m . c2 放射性 原子核模型,固态物理 量子力学 原子模型,X-光,超导 雷射光 霓虹灯 真空管 半导体,光学 热力学 力学,蒸汽机 电磁学,电视 无线电 航空工程 光学工程 引擎,人类太空站 太空实验室 地质探勘 气象卫星 潮汐 慧星,哥白尼星系,导航 精确定时 脉
12、冲星 宇宙辐射太阳,大爆炸 黑洞 背景辐射 类星体,10-17米 10-16米 10-14米 10-10米 1米 1011米 1017米 1025米, 1990,1930,1900,向宏观的更宏观,微观的更微观的方向发展,纳(n),毫,秒(s),微(),皮(p),lg,x,阿(a),飞(f),1.0,核物理 物理 工程与力学,核融合 反应堆 同位素技术 核裂变 E=m . c2 放射性 原子核模型,固态物理 量子力学 原子模型,微电子 X-光,超导 雷射光 霓虹灯 真空管 半导体,光学 热力学 力学,蒸汽机 电磁学,电视 无线电 航空工程 光学工程 引擎,10-17米 10-16米 10-14
13、米 10-10米 1米 1011米 1017米 1025米, 1990,1930,1900,Material science and Engineering,多尺度、复杂结构模型、多物理场耦合以及随机性和不确定性 - 具有极其丰富的科学内涵，存在着巨大的挑战和诱人机遇。从量子力学和分子动力学计算，到材料的设计、性能预报、成型过程和工程应用的数值模拟，勾画了这一科学主题的动人美景！,材料设计的范畴与层次,量子力学,分 子 动力学,缺 陷 动力学,结 构 动力学,连续介质力学,计算材料学讲座,纳观至微观： 蒙特卡罗、分子动力学、微观相场、第一性原理分子动力学,微结构模拟尺度与方法,介观至宏观： 有限差分法和多晶模型、有限元法（通过平均化本构方程包含微结构信息）,微观至介观： 位错动力学、连续相场、元胞自动机、多态及动力学波茨模型、拓扑网格与顶点模型。,材料设计的范畴与层次（纳观至微观）,材料设计的范畴与层次（微观至介观）,材料设计的范畴与层次（介观至宏观）,
