Multiscale Simulation Methods for Nanomaterials pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:理查德·B·罗斯

出品人:

页数:275

译者:

出版时间:2008-1

价格:1197.00 元

装帧:HRD

isbn号码:9780470105283

丛书系列:

图书标签:

纳米材料
多尺度模拟
计算材料学
材料科学
分子动力学
蒙特卡洛方法
有限元分析
纳米技术
模拟方法
材料建模

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This book stems from the American Chemical Society symposium, Large Scale Molecular Dynamics, Nanoscale, and Mesoscale Modeling and Simulation: Bridging the Gap, that delved into the latest methodologies and applications for largescale, multiscale, and mesoscale modeling and simulation. It presents real–world applications of simulated and synthesized materials, including organic–, inorganic–, bio–, and nanomaterials, and helps readers determine the best method for their simulation. It gets novices up to speed quickly and helps experienced practitioners discover novel approaches and alternatives.

精密计算的边界：探索材料科学的前沿模拟技术图书名称：《材料模拟的演进：从宏观到量子尺度的多维建模》图书简介：本书旨在系统地梳理和深入探讨材料科学领域中，那些超越传统尺度限制、致力于揭示物质本征性质与复杂系统行为的先进计算模拟方法。我们聚焦于那些在当前研究热点中扮演关键角色的、具有高度跨学科性质的数值技术，而非对特定纳米材料的通用模拟方法进行细致讲解。本书的构建逻辑清晰，从理论基础到应用实践，逐步引导读者理解如何构建和验证多尺度、多物理场的计算模型。我们认为，理解材料行为的根本在于精确描述其在不同时间与空间尺度上的相互作用，这要求我们超越单一尺度的局限，拥抱计算的复杂性与精细化。第一部分：理论基石与基础动力学本部分奠定了理解高级模拟技术所需的坚实理论基础，重点关注如何描述原子、分子乃至晶体层面的基本运动规律与能量演化。第一章：统计力学与系综理论的再审视本章首先回顾了经典统计力学在描述大量粒子系统中的核心地位，但立即将重点转向对系综选择的精细化考量。我们深入探讨了正则系综（NVT）、等温等压系综（NPT）在模拟热力学性质导出中的适用性边界。更重要的是，本章详细分析了在处理非平衡态过程，如相变、快速弛豫时，如何应用更复杂的系综概念，例如庞加莱截面法以及能量最小化路径的搜索策略。我们将讨论如何通过精心构造势能面（Potential Energy Surface, PES）来准确捕捉势能项中的集体效应，而非仅仅依赖于简单的两体或三体相互作用。第二章：分子动力学（MD）算法的效率革命分子动力学是模拟时间演化过程的核心工具。本章不再将重点放在Verlet积分等基础算法上，而是聚焦于如何克服时间尺度限制。我们详细剖析了高精度、长步长算法（如Velocity-Verlet的修正版本）的设计原理。随后，重点转向处理长程相互作用的优化技术，如粒子网格Ewald（PME）方法的细节，包括其截断误差的分析和对边界条件的敏感性。此外，本章深入探讨了用于加速模拟的并行化策略，例如域分解（Domain Decomposition）技术在现代高性能计算（HPC）架构上的实现挑战与优化方案。第三章：蒙特卡洛（MC）方法的泛化与改进蒙特卡洛方法在采样复杂构象空间中展现出独特优势。本章着重介绍如何改进传统的Metropolis算法以提高收敛速率和采样效率。内容涵盖了巨正则蒙特卡洛（GCMC）在吸附与相平衡研究中的应用，以及针对柔性分子系统和高分子网络设计的特殊接受准则，例如自适应接受率策略。此外，我们还探讨了Metropolis-Adjusted Reaction Path (MARP) 等用于路径积分的MC技术，它们如何帮助我们绕开高能垒区域。第二部分：跨越尺度的桥梁——介观与连续介质模型理解宏观尺度下的材料性能，必须依赖于将原子尺度的信息有效“粗粒化”的策略。本部分专注于描述如何构建和验证这些衔接不同尺度的模拟框架。第四章：粗粒化（Coarse-Graining, CG）模型的构建哲学本章的核心是CG模型的“哲学”：即在损失最少关键信息的前提下，如何将数个原子抽象为一个有效的粒子（或单元）。我们将详细分析基于信息论的CG方法，例如最大熵原理（MaxEnt）与自由能最小化方法（如Inverse Monte Carlo, IMC）。讨论的重点是如何系统地校准CG势能函数，确保其在宏观热力学性质（如径向分布函数、热力学可压缩性）上与全原子模拟（All-Atom, AA）保持一致性，同时有效降低计算成本。第五章：连续介质力学的高级耦合当模拟尺度进入微米乃至毫米级别时，连续介质模型成为必需。本章聚焦于如何将原子尺度的信息融入到经典连续介质框架中。具体内容包括：如何从原子动力学模拟中提取出非线性弹性张量、粘弹性参数，以及如何将其输入到有限元分析（FEA）的本构方程中。我们讨论了“多尺度有限元方法”（MsFEM）的原理，特别是如何在材料微观结构发生显著变化（如裂纹尖端）的区域，动态地切换计算模型，实现计算效率与精度的平衡。第六章：相场（Phase-Field）模型的应用与演化相场方法是描述界面演化和复杂形态形成（如析出、晶界迁移）的强大工具。本章深入研究了相场理论在描述非均匀系统中的应用，包括Ginzburg-Landau 理论的推广。重点讨论了如何根据第一性原理计算（如DFT）的结果来确定相场参数，例如自由能密度泛函的系数和梯度能的耦合强度。我们还将分析非线性的相场方程在求解时的数值稳定性问题以及相应的快速求解算法。第三部分：电子结构计算的极限与扩展要描述化学反应、电子激发和材料本征的量子力学性质，必须依赖于对薛定谔方程的求解。本部分集中于高精度电子结构方法的挑战与前沿发展。第七章：密度泛函理论（DFT）的精度瓶颈与修正本章不重复DFT的基础知识，而是直接探讨其在实际应用中的核心挑战——如何选择或构建合适的交换关联（XC）泛函。我们系统地分析了从LDA到GGA，再到后来的Meta-GGA和Hybrids泛函的演进路径，并详细对比了它们在描述长程相互作用、范德华力（vdW）以及带隙误差上的表现。重点讨论了DFT+U方法和HSE混合泛函的理论基础和参数校准，这些是准确描述过渡金属和稀土材料电子结构的必要手段。第八章：超越DFT：激发态与动力学模拟描述材料对光和电的响应需要处理电子的激发态问题。本章深入探讨了从头算（ab initio）方法在激发态领域的进展，尤其是贝特-萨德勒-普拉托（B3P）理论（GW近似）和时间依赖性密度泛函理论（TD-DFT）。我们详细剖析了如何在复杂体系中高效地计算光学吸收谱和电荷转移机制，并探讨了如何利用电子动力学模拟（Ab Initio MD, AIMD）来研究高温高压下的非绝热过程。第九章：量子化学与有限系统本章关注如何将高精度的量子化学方法（如耦合簇理论CCx）应用于包含数十到数百个原子的有限簇或界面问题。讨论的重点是如何利用有效的嵌入方法（Embedding Methods），例如密度矩阵重构或经典环境场耦合，将高计算成本的QM方法局域化，从而使之能够处理更具代表性的、具有明显界面的材料体系。结语：计算科学的前景与挑战本书的最后部分对当前计算材料科学面临的重大挑战进行了展望，包括如何有效融合机器学习（ML）加速的势能面构建、如何处理极其庞大的多物理场耦合数据流，以及如何在通用计算平台上实现不同模拟尺度的无缝衔接。我们强调，未来的模拟工作将越来越依赖于对计算资源的极致利用和对模型选择的深刻洞察力。