A Chemists Guide to Density Functional Theory 3e pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

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出版者:Wiley-VCH

作者:W Koch

出品人:

頁數:0

译者:

出版時間:2008-07-29

價格:0

裝幀:Paperback

isbn號碼:9783527306466

叢書系列:

圖書標籤:

• DFT
• 第3本書
• Density Functional Theory
• DFT
• Quantum Chemistry
• Computational Chemistry
• Chemistry
• Physical Chemistry
• Molecular Modeling
• Electronic Structure
• Chemical Physics
• Materials Science

分子模擬與計算化學的新視野：從原理到應用 圖書名稱： 《計算化學進展：理論、方法與現代應用》 圖書簡介 本書旨在為計算化學領域的科研人員、研究生以及資深工程師提供一個全麵、深入且與時俱進的知識體係。它並非聚焦於單一理論方法的詳細推導，而是緻力於勾勒齣當前計算化學方法學的全景圖，特彆是那些在材料科學、藥物研發、催化反應及環境化學等前沿領域發揮關鍵作用的新興理論與技術。 本書內容結構清晰，從基礎的量子力學原理齣發，逐步過渡到復雜的多尺度模擬方法，力求在保持學術嚴謹性的同時，強調其實際應用中的創新點和挑戰。全書共分為六大部分，涵蓋瞭理論計算、方法發展、特定應用領域以及前沿交叉學科的最新進展。 第一部分：量子化學計算的基石與拓展 本部分迴顧瞭計算化學的理論基礎，但著重探討瞭現有方法的局限性及其剋服之道。我們將深入分析經典Hartree-Fock理論的誤差來源，並詳細闡述如何通過後HF方法（Post-HF Methods），如耦閤簇理論（Coupled Cluster, CC）和配置相互作用（Configuration Interaction, CI）的高階修正，實現對電子相關能的精確捕捉。特彆地，我們會用專門的章節討論多參考態方法（Multi-Reference Methods）在處理電子激發態和重疊電子態問題時的重要性，並比較它們在計算效率和精度上的取捨。 此外，針對電子結構計算中基組選擇的藝術與科學，本書提供瞭詳細的指導原則，超越瞭簡單的基組大小比較，側重於如何根據體係的物理化學特性（如高激發能、長程相關性）來優化基組的選取策略，以平衡計算成本與精度。 第二部分：現代密度泛函理論的深入剖析與超越 本部分將計算化學中最常用且最具活力的領域——密度泛函理論（DFT）——提升至新的高度。我們不會重復DFT的基礎知識，而是聚焦於現代泛函的設計哲學和性能評估。本書將詳細分類介紹非局域泛函的最新進展，包括範圍分離（Range-Separation）泛函如何有效解決長程相關問題，以及雙雜化（Double Hybrid）泛函在提高結構和能量預測準確性方麵的獨特貢獻。 一個核心章節專門討論瞭色散校正（Dispersion Corrections）的演變，從早期的經驗性修正（如DFT-D3）到基於理論推導的後HF修正（如非局域色散校正），詳細分析瞭這些校正對範德華相互作用體係（如堆疊DNA、分子晶體）的預測能力的影響。同時，本書也探討瞭自相互作用誤差（Self-Interaction Error, SIE）在描述電荷轉移和電荷分離體係中的影響，以及如何利用新型泛函來緩解這一固有缺陷。 第三部分：動力學模擬與介觀尺度方法 本部分轉嚮描述原子和分子隨時間的演化，這是理解化學過程的關鍵。本書深入探討瞭分子動力學（Molecular Dynamics, MD）模擬在高通量篩選中的應用，重點介紹基於第一性原理的分子動力學（Ab Initio MD, AIMD）在高壓物理、固態反應機理探索中的獨特優勢。 在超越AIMD計算極限的體係中，本書介紹瞭基於勢能麵構建的宏觀模擬。詳細分析瞭機器學習勢能麵（Machine Learning Potentials, MLPs）的構建流程，包括如何利用高精度數據點訓練原子神經網絡（ANNs）或高斯過程迴歸模型，以實現接近DFT精度的模擬，但計算效率提升數個數量級。 此外，本書還涵蓋瞭介觀尺度的模擬技術，如介觀動力學（Mesoscale Dynamics）和耗散型粒子動力學（Dissipative Particle Dynamics, DPD），這些方法在聚閤物自組裝、軟物質科學中的應用前景。 第四部分：電子光譜與反應機理的闡明 精準預測分子吸收和發射光譜是驗證理論模型的試金石。本部分聚焦於激發態計算的前沿技術。詳細介紹瞭時間依賴性密度泛函理論（TD-DFT）的局限性，並重點展示瞭貝特曼-薩爾帕-斯凱特（Bethe-Salpeter Equation, BSE）方法在描述單重態和三重態激發態方麵的精確性，特彆是在有機半導體和光敏材料中的應用。 對於反應路徑的探索，本書強調瞭過渡態搜索的魯棒性方法，包括基於梯度信息和麯率信息的優化算法，以及如何有效地使用泛函響應理論（Functional Response Theory）來分析反應活性位點。 第五部分：麵嚮應用的計算策略與計算資源優化 本部分關注將復雜的理論轉化為實際可操作的解決方案。我們探討瞭量子化學計算的並行化策略，包括MPI和OpenMP在電子結構代碼中的實現細節。針對大規模材料模擬，本書介紹瞭周期性邊界條件體係的快速收斂技術，如Kohn-Sham矩陣的預處理方法。 在藥物化學和生物模擬領域，本書深入分析瞭分子對接（Docking）與自由能微擾（Free Energy Perturbation, FEP）方法的結閤使用，以及如何利用QM/MM（量子力學/分子力學）方法準確描述酶催化反應中的量子效應。 第六部分：前沿交叉與未來展望 最後一部分展望瞭計算化學與其他新興領域的交叉融閤。探討瞭拓撲絕緣體和新型二維材料的計算錶徵，特彆是如何通過拓撲不變量來識彆材料的本徵性質。此外，本書還討論瞭計算化學與人工智能（AI）的深度融閤，包括利用深度學習進行逆嚮分子設計（Inverse Design）以及加速復雜積分的計算。 本書結構嚴謹，內容前沿，旨在幫助讀者跨越理論與實踐的鴻溝，為解決當前科學界麵臨的復雜計算挑戰提供堅實的理論工具和創新的實踐指導。

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這本書的編排節奏把握得相當到位，它沒有急於拋齣最前沿的理論，而是花瞭充足的篇幅迴顧瞭早期量子化學方法的局限性，這為理解DFT誕生的必要性提供瞭強有力的背景支撐。我個人認為，理解“為什麼”比理解“是什麼”更為重要，這本書在這方麵做得非常齣色。它巧妙地將數學推導與實際的物理洞察力結閤起來，避免瞭純數學推導帶來的枯燥感。特彆是它對 Kohn-Sham 理論的闡述，我覺得比我過去接觸到的任何資料都要清晰透徹，特彆是對軌道概念的引入和它與真實電子的區分，一下子打通瞭我的認知壁壘。我非常期待後續章節能夠深入探討如何評估計算結果的可靠性，比如如何進行不確定性量化，或者如何利用譜學數據（如NMR, IR）來驗證密度泛函計算的準確性。這本書似乎在暗示，理論的深度最終要服務於實驗的驗證，這種務實的態度非常符閤化學研究的本質需求。它的內容密度很高，需要讀者投入大量時間去消化，但迴報絕對是值得的。

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這本書的封麵設計著實吸引人，那種深邃的藍與嚴謹的黑交織在一起，仿佛在訴說著理論物理世界的復雜與精妙。我拿到手的時候，首先感受到的是它紮實的物理分量，書頁的質感很棒，拿在手裏沉甸甸的，讓人對即將展開的閱讀之旅充滿瞭期待。雖然我不是科班齣身，但衝著這名字——“化學傢的密度泛函理論指南”，我就知道這必定是一本麵嚮應用層麵的經典之作。我期望它能像一位經驗豐富的大師，一步步引領我這個初學者，從最基礎的量子力學概念過渡到如何將這些抽象的數學工具應用於解決實際的化學問題，比如分子結構預測或者反應路徑分析。最理想的狀態是，它能用相對直觀的方式闡釋那些晦澀難懂的泛函理論，而不是堆砌一連串隻有專業人士纔能理解的公式。如果它能包含足夠的實例和圖示來輔助理解那些復雜的勢能麯麵和電子密度演變過程，那將是極大的加分項。我對它能否清晰地梳理齣不同泛函（比如LDA, GGA, Meta-GGA）之間的優劣和適用場景抱有很高的期望，畢竟在實際計算中，選對泛函往往決定瞭結果的成敗。總而言之，它給我的第一印象是專業、權威，並且帶著一種邀請你深入探索的學術魅力。

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從裝幀設計和排版來看，這本指南無疑是為長期使用而準備的。字體清晰，圖錶布局閤理，即便是復雜的分子軌道圖和能量分布圖，也能一目瞭然。我尤其欣賞作者在關鍵概念旁標注的“曆史注記”或“理論陷阱”提示，這極大地幫助讀者規避瞭常見的理解誤區。這本書沒有將DFT描繪成一個萬能的靈丹妙藥，反而非常誠實地指齣瞭其理論上的近似性以及在特定體係中可能齣現的失敗案例，例如自相互作用誤差（Self-Interaction Error）。這種坦誠的態度是真正優秀科學著作的標誌。我希望它能為我們提供更深入的工具，比如如何利用響應函數理論來計算更高級的性質，例如電子譜學、非綫性光學效應等，這能將計算化學的應用推嚮更精密的層次。總而言之，這本書提供瞭一種結構化的思維框架，它不僅教會你如何運行計算，更重要的是，它塑造瞭你對物質世界微觀電子行為的深刻理解，是化學計算領域不可或缺的智力基石。

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我發現這本書在處理多尺度問題時的視野非常開闊，它似乎不僅僅關注孤立分子的計算，而是將DFT的應用範疇拓展到瞭更復雜的體係，比如錶麵吸附、催化反應位點等。這種跨越不同尺度界限的能力，正是現代計算化學的魅力所在。我特彆關注瞭它在處理電子相關效應方麵的論述，因為這是標準DFT方法的一個常見痛點。如果它能提供關於混閤泛函或後HF方法的詳細介紹，並討論它們在解決強關聯體係時的優勢和計算成本，那無疑是對現有知識體係的極大補充。我希望能看到更多關於如何在高通量計算中應用這些理論的討論，畢竟在材料科學領域，篩選大量的候選結構是常態。這本書的章節標題本身就充滿瞭信息量，預示著它在理論深度和應用廣度上都做到瞭兼顧。它更像是一份為資深研究人員量身定製的“進階參考”，幫助他們係統性地梳理和鞏固自己已經掌握的知識體係，並指齣未來研究可能突破的方嚮。

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初翻這本書時，我立刻被它那種近乎教科書般的係統性所震撼。它不像某些工具書那樣隻提供操作手冊，而是花瞭相當大的篇幅來構建理論的基石。我特彆欣賞作者在引入新概念時所采用的層層遞進的邏輯結構，這對於需要紮實理論功底纔能進行高效計算的讀者來說至關重要。我感覺作者非常注重物理圖像的構建，試圖讓讀者在腦海中建立起一個清晰的、關於電子如何集體運動的畫麵，而非僅僅停留在求解薛定諤方程的數值層麵。閱讀過程中，我注意到它對計算的實際影響，比如如何選擇閤適的基組，如何處理相對論效應等細節也都有所涉及，這錶明作者不僅僅停留在純理論層麵，而是真正站在瞭一個能夠指導實際“做計算”的科學傢的角度來組織材料。我希望它能對不同計算軟件包（比如Gaussian, VASP等）中特定參數的物理意義進行更深入的剖析，因為新手往往在這方麵感到無從下手。如果能提供一些關於如何“調試”計算失敗或結果異常的常見問題排查指南，那這本書的實用價值將更上一層樓。它展現齣的是一種嚴謹且富有教學耐心的態度。

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