模擬預(yù)測(cè)石墨烯的近親—Graphyne

2012年德國(guó)埃爾蘭根-紐倫堡大學(xué)的研究人員通過計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)了一種被稱為Graphyne的材料，這種材料屬于石墨烯的“近親”，二者的不同只在于原子鍵的類型不同。石墨烯原子之間為雙鍵連接，Graphyne則存在三鍵連接，這讓Graphyne呈現(xiàn)出不同的幾何結(jié)構(gòu)。迄今為止這種材料合成量非常少。

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研究人員經(jīng)過電子密度泛函理論模擬研究，展示了3種不同類型的Graphyne材料，它們都具有與石墨烯類似的狄拉克錐電子結(jié)構(gòu)，這證明許多其他材料都有可能具有此類電子結(jié)構(gòu)。這種Graphyne 的另一特征是其本身就存在導(dǎo)電電子，而無需像普通石墨烯那樣需要“摻雜”非碳原子引入導(dǎo)電電子，該材料有望在電子器件中得到新的應(yīng)用。

無法觀測(cè)到C60凝膠的形成過程，但可以精確模擬！

2011年2月，英國(guó)布里斯托爾大學(xué)（Universityof Bristol）和澳大利亞國(guó)立大學(xué)的研究人員利用分子動(dòng)力學(xué)模型研究了富勒烯（C60)形成凝膠的可能性和穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明C60在適當(dāng)條件下能形成凝膠。這意味著碳可以形成金剛石、石墨、石墨烯以及凝膠等物質(zhì)。

這種凝膠有一種特殊結(jié)構(gòu)，叫做旋節(jié)凝膠（spinodal gel）。 研究人員表示，這種碳凝膠形成需要10ns，在室溫下存在時(shí)間為100ns。研究人員可以模擬這種凝膠的形成過程，但這類模擬都很難以調(diào)整，C60凝膠最終會(huì)分裂為水晶和氣體，也有可能會(huì)更傾向于結(jié)晶。

模擬→制造→再模擬，完美塑料”的誕生

2011年英國(guó)利茲大學(xué)和杜倫大學(xué)的研究人員研究出一種塑料的“配方書”，可以幫助專業(yè)人士開發(fā)出具有特殊功能和性質(zhì)的“完美塑料”。研究人員在研究過程中使用了配位聚合物動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，這種模型由2部分計(jì)算機(jī)代碼構(gòu)成，第1部分代碼根據(jù)聚合物條狀分子結(jié)構(gòu)計(jì)算出聚合物的流動(dòng)方式，第2部分則對(duì)此類分子可能構(gòu)成的形狀做出預(yù)測(cè)。研究人員再根據(jù)實(shí)驗(yàn)室制造合成的“完美塑料”來改進(jìn)這些模型，這一突破意味著人們能夠按照自己意愿制造出更有效且具有特殊功用的塑料，這對(duì)工業(yè)和環(huán)境都將產(chǎn)生巨大的影響。

預(yù)測(cè)第3種碳單質(zhì)結(jié)晶：K4

2009年日本東北大學(xué)材料研究院Yoshiyuki Kawazoe教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組通過“第一性原理”電腦模擬證明除金剛石和石墨以外，還存在第3種碳單質(zhì)結(jié)晶：K4。

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這是sp2 雜化碳的一種三維晶體結(jié)構(gòu)，可以看作是sp3金剛石晶體的孿晶。該晶體結(jié)構(gòu)具有如導(dǎo)電性等金屬特性，將來有望只利用碳元素來制作集成電路。

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雖然采用數(shù)學(xué)方法能夠證明碳單質(zhì)除了金剛石和石墨這2種結(jié)晶以外還存在第3種形式的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)晶是否實(shí)際存在，卻一直是個(gè)謎。研究小組利用原子間的距離來進(jìn)行計(jì)算，得到的預(yù)測(cè)結(jié)果是這種結(jié)晶在特定條件下可以穩(wěn)定地存在。

三、省錢省力，模擬材料在極端環(huán)境下的使役行為

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為了研究材料在極端環(huán)境下的使役行為，除了要興建價(jià)格高昂的實(shí)驗(yàn)室，還需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試來研究材料的疲勞、老化等問題，而材料計(jì)算科學(xué)可節(jié)省大量的時(shí)間與金錢。

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飛機(jī)制造商會(huì)逐漸增加碳纖維復(fù)合材料（CFCs）在飛機(jī)上的使用量，但CFCs獨(dú)特的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生重大缺陷。CFCs中各層碳纖維的取向都不同，因此復(fù)合材料具有高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱等異性，如果每層的不同部位因雷擊而損壞，則復(fù)合材料難以修復(fù)。

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2010年，英國(guó)南安普敦大學(xué)的研究人員研究了雷擊對(duì)飛機(jī)用CFCs造成的潛在損壞影響，以減少損失和維修費(fèi)用。

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該校Golosnoy博士研究小組正與歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)（EADS）創(chuàng)新中心（英國(guó)）展開為期3年的項(xiàng)目，旨在評(píng)估雷擊對(duì)于飛機(jī)機(jī)身和發(fā)動(dòng)機(jī)葉片用CFCs的影響。研究人員通過模擬雷擊在復(fù)合材料上形成的電流和熱場(chǎng)，針對(duì)雷擊對(duì)復(fù)合材料造成的損害建立了詳細(xì)的信息庫，并提出維修和保護(hù)建議，并對(duì)CFCs的自身修復(fù)能力進(jìn)行研究。

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該項(xiàng)目主要是針對(duì)雷擊現(xiàn)象的基礎(chǔ)物理學(xué)性能進(jìn)行研究， Golosnoy博士計(jì)劃開發(fā)定性數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)機(jī)身遭受雷擊時(shí)的行為，并且還將對(duì)復(fù)合材料接合處熱電性能的參數(shù)進(jìn)行分析。

四、開發(fā)新材料制造工藝

新材料往往具有特別的物理化學(xué)性質(zhì)，如何對(duì)新材料進(jìn)行加工是擺在工程人員面前的一道難題。材料計(jì)算技術(shù)能夠通過計(jì)算機(jī)模擬仿真來探索新材料的制造工藝，不但能大幅縮短新材料進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的時(shí)間，還能大幅降低新材料研發(fā)所需的成本。

先模擬，后制作—完美的形狀記憶合金制備

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形狀記憶合金的特征非常復(fù)雜，因此很難預(yù)測(cè)。在制成一個(gè)擁有期望特性的真正可用部件之前，工程師們不得不制作許多原型。2009年德國(guó)弗勞恩霍夫材料力學(xué)研究所（IWM，F(xiàn)raunhofer）的研究人員在原型制作出以前，就已經(jīng)借助數(shù)值模擬解決了許多問題。借助數(shù)值模擬，科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出各種形狀記憶物品，包括用于內(nèi)窺鏡檢查的極小鑷子等。通常情況下，這種微型鑷子都有接縫。

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那么，IWM的研究人員是如何制作這種具有彈性、完全消毒又沒有接縫的小尺寸元件的呢？

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電腦給出了答案：在數(shù)值模擬模型的幫助下，研究人員能夠事先計(jì)算出元件最重要的特征，比如它的強(qiáng)度和夾緊力，進(jìn)而有效地開發(fā)和制造這些彈性元件。

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通常情況下，需要通過制作各種原型進(jìn)行試驗(yàn)。通過利用數(shù)值模擬，研究人員能夠避免制作大多數(shù)原型，這樣可以降低成本。因?yàn)樾螤钣洃浐辖鸬脑鲜欠浅０嘿F的，而且有時(shí)很難處理。此外，研究人員可以通過模擬，預(yù)估這些新型材料的耐久性。

尋找硅基半導(dǎo)體替代品，計(jì)算模擬探索加工工藝

2012年美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校對(duì)復(fù)合金屬氧化物材料的加工工藝進(jìn)行了探索。厚度為幾個(gè)原子直徑的金屬氧化物材料具有獨(dú)特的電、光和磁學(xué)性質(zhì)，使它們有望成為傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體的替代品。將各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬氧化物材料制成新型復(fù)合金屬氧化物材料，從而擁有充滿想象的、令人興奮的新特性。該研究團(tuán)隊(duì)從計(jì)算機(jī)生成的理想模型，測(cè)試不同結(jié)構(gòu)、不同成分的新型金屬氧化物材料，改進(jìn)理論和重復(fù)整個(gè)過程，直到找到具有獨(dú)特性能的、正確的材料及加工工藝。

如前所述，由于材料計(jì)算方法能夠讓科學(xué)家更深入地了解材料性質(zhì)并支撐新材料的研發(fā)工作，因此國(guó)外很多企業(yè)已經(jīng)將材料計(jì)算方法用于軍工裝備制造。

通用電氣公司如何將開發(fā)速度提高50%？

2001年美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究規(guī)劃局（DARPA）啟動(dòng)了快速插層材料（accelerated insertion of materials，AIM）計(jì)劃，最初材料計(jì)算科學(xué)沒有進(jìn)入渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)流中，但在隨后的一年里，材料行為模組被引入，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)矩陣和響應(yīng)面生成，之后材料行為模組就完全集成到了設(shè)計(jì)流中。

通過這項(xiàng)工作，Pratt& Whitney公司展示了能夠在降低鍛造質(zhì)量21%的同時(shí)，將輪盤破裂速度提高19%。通用電氣公司能夠?qū)⑤啽P合金的開發(fā)速度提高50%。此后依據(jù)DARPA AIM的投資計(jì)劃，美國(guó)成立了ONR / DARPA“D3D”數(shù)字結(jié)構(gòu)聯(lián)盟，該聯(lián)盟旨在實(shí)現(xiàn)更高保真度的微結(jié)構(gòu)表征和模擬，對(duì)AIM計(jì)劃予以支持。

商業(yè)化典范— Ford汽車研發(fā)成本如何節(jié)省數(shù)百萬美元？

主要用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸缸體和缸蓋的鋁合金壓鑄件，對(duì)快速開發(fā)并制造出高質(zhì)量的鋁合金壓鑄件提出了較高的要求。傳統(tǒng)的制造流程為設(shè)計(jì)-制造-測(cè)試-再設(shè)計(jì)-制造-再測(cè)試，直到產(chǎn)品開發(fā)成功。整個(gè)過程費(fèi)力、耗時(shí)又昂貴，遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需要。

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對(duì)此，美國(guó)福特（Ford）汽車公司開發(fā)了一套虛擬鋁壓鑄（VAC）設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)，使樣品的“設(shè)計(jì)-制造-測(cè)試”全流程都可以在電腦上完成，并能進(jìn)行產(chǎn)品性能的微調(diào)優(yōu)化，使得鋁壓鑄件產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期短、制造效率高、材料特性可控制調(diào)節(jié)、產(chǎn)品耐久性能可預(yù)知，并且節(jié)約了高昂的制造開發(fā)成本。采用虛擬鋁壓鑄技術(shù)后，F(xiàn)ord汽車公司節(jié)省了數(shù)百萬美元。

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虛擬鋁壓鑄系統(tǒng)主要通過商業(yè)壓鑄模擬軟件MagmaSoft、ProCast、ABAQUS等搭建起了全制造和測(cè)試流程的基礎(chǔ)性虛擬框架：壓鑄模型和熱處理（即制造工藝）模型-局部微結(jié)構(gòu)-局部材料性能-材料殘余應(yīng)力分析和產(chǎn)品耐用性預(yù)測(cè)評(píng)估-反饋至制造工藝優(yōu)化，見下圖。

另外，虛擬鋁壓鑄系統(tǒng)還結(jié)合了子程序OptCast以優(yōu)化不同幾何形狀的壓鑄和熱處理工藝模型，細(xì)化豐富了制造工藝參數(shù)模型，建立了制造工藝模型一一對(duì)應(yīng)的局部材料微結(jié)構(gòu)模型。微結(jié)構(gòu)包括從分子態(tài)的共晶相、沉淀強(qiáng)化相、枝晶粗化，到納米態(tài)的相沉淀，再到微孔形成和合金相分離及成分確定。在微結(jié)構(gòu)模型的解析和建構(gòu)過程中，采用了MicroMod、Pandat、Dictra、NanoPPT等諸多子程序或現(xiàn)成的相圖計(jì)算工具，全面反映了不同制造工藝尤其是熱處理?xiàng)l件對(duì)微結(jié)構(gòu)形成的影響。

此外，還有其他許多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，包括利弗莫爾軟件技術(shù)公司、 ESI集團(tuán)、海軍水面作戰(zhàn)中心、諾爾斯原子能實(shí)驗(yàn)室、豐田中央研發(fā)實(shí)驗(yàn)室、 QuesTek公司以及波音公司，都采用過將材料計(jì)算方法用于整合材料、部件設(shè)計(jì)以及制造工藝，見下表。