淺述第一性原理內(nèi)容及應(yīng)用

1、淺述第一性原理內(nèi)容及應(yīng)用計算材料學(xué)，是材料科學(xué)與計算機(jī)科學(xué)的交叉學(xué)科，是一門正在快速發(fā)展的新興學(xué)科，是利用計算對材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能以及服役性能進(jìn)行計算機(jī)模擬與設(shè)計的學(xué)科。它涉及材料、物理、計算機(jī)、數(shù)學(xué)、化學(xué)等多門學(xué)科。計算材料學(xué)主要包括兩個方面的內(nèi)容：一方面是計算模擬，即從實驗數(shù)據(jù)出發(fā)，通過建立數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計算，模擬實際過程；另一方面是材料的計算機(jī)設(shè)計，即直接通過理論模型和計算，預(yù)測或設(shè)計材料結(jié)構(gòu)與性能。前者使材料研究不僅僅停留在實驗結(jié)果和定性的討論上，而是使特定材料體系的實驗結(jié)果上升為一般的、定量的理論；后者則使材料的研究與開發(fā)更具方向性、前瞻性，有助于原始性創(chuàng)新，可以大大提高研究效率

2、。因此，計算材料學(xué)是連接材料學(xué)理論與實驗的橋梁。1. 第一原理的發(fā)展背景材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能、服役性能是材料研究的四大要素。傳統(tǒng)的材料研究以實驗室研究為主，是一門實驗科學(xué)。但是，隨著對材料性能的要求不斷提高，材料學(xué)研究對象的空間尺度在不斷變小，只對微米級的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究已經(jīng)不能揭示材料性能的本質(zhì)，納米結(jié)構(gòu)、原子像已成為材料研究的內(nèi)容，對功能材料甚至需要研究到電子層次。因此，材料研究越來越依賴于高端的測試技術(shù)，研究難度和成本也越來越高。另外，服役性能在材料研究中越來越受到重視，服役性能就是要研究材料與服役環(huán)境的相互作用及其對材料性能的影響。隨著材料應(yīng)用環(huán)境的日益復(fù)雜化，材料服役性能的實驗室研

3、究也變得越來越困難?？傊?，僅僅依靠實驗室的實驗來進(jìn)行材料研究已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代新材料研究和發(fā)展的要求。然而計算機(jī)模擬技術(shù)可以根據(jù)有關(guān)的基本理論，在計算機(jī)虛擬環(huán)境下從納觀、微觀、介觀和宏觀的不同尺度對材料進(jìn)行多層次研究，也可以模擬超高溫、超高壓等極端環(huán)境下的材料服役性能，模擬材料在服役條件下的性能演變規(guī)律、失效機(jī)理，進(jìn)而實現(xiàn)材料服役性能的改善和材料設(shè)計。因此，在現(xiàn)代材料學(xué)領(lǐng)域中，計算機(jī)“實驗”已成為與實驗室實驗同樣重要的研究手段，而且隨著計算材料學(xué)的不斷發(fā)展，第一原理的作用會越來越大。_第一性原理，英文First Principle，是一個計算物理或計算化學(xué)專業(yè)名詞，廣義的第一性原理計算指的是一切

4、基于量子力學(xué)原理的計算。從頭算（ab initio）是狹義的第一性原理計算，它是指不使用經(jīng)驗參數(shù)，只用電子質(zhì)量，光速，質(zhì)子中子質(zhì)量等少數(shù)實驗數(shù)據(jù)去做量子計算。但是這個計算很慢，所以就加入一些經(jīng)驗參數(shù)，可以大大加快計算速度，當(dāng)然也會不可避免的犧牲計算結(jié)果精度。作為評價事物的依據(jù)，第一性原理和經(jīng)驗參數(shù)是兩個極端。第一性原理是某些硬性規(guī)定或推演得出的結(jié)論，而經(jīng)驗參數(shù)則是通過大量實例得出的規(guī)律性的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以來自第一性原理(稱為理論統(tǒng)計數(shù)據(jù))，也可以來自實驗(稱為實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù))。但是就某個特定的問題，第一性原理和經(jīng)驗參數(shù)沒有明顯的界限，必須特別界定。如果某些原理或數(shù)據(jù)來源于第一性原理，但推演過程

5、中加入了一些假設(shè)(這些假設(shè)當(dāng)然是很有說服力的)，那么這些原理或數(shù)據(jù)就稱為“半經(jīng)驗的”根據(jù)原子核和電子互相作用的原理及其基本運動規(guī)律，運用量子力學(xué)原理，從具體要求出發(fā)，經(jīng)過一些近似處理后直接求解薛定諤方程的算法，習(xí)慣上稱為第一原理。 第一性原理通常是跟計算聯(lián)系在一起的，是指在進(jìn)行計算的時候除了告訴程序你所使用的原子和他們的位置外，沒有其他的實驗的，經(jīng)驗的或者半經(jīng)驗的參量，且具有很好的移植性。作為評價事物的依據(jù)，第一性原理和經(jīng)驗參數(shù)是兩個極端。第一性原理是某些硬性規(guī)定或推演得出的結(jié)論，而經(jīng)驗參數(shù)則是通過大量實例得出的規(guī)律性的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以來自第一性原理(稱為理論統(tǒng)計數(shù)據(jù))，也可以來自實驗(稱為

6、實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù))。 但是就某個特定的問題，第一性原理和經(jīng)驗參數(shù)沒有明顯的界限，必須特別界定。如果某些原理或數(shù)據(jù)來源于第一性原理，但推演過程中加入了一些假設(shè)(這些假設(shè)當(dāng)然是很有說服力的)，那么這些原理或數(shù)據(jù)就稱為“半經(jīng)驗的”。其他解釋：第一性原理，英文First Principle，是一個計算物理或計算化學(xué)專業(yè)名詞，廣義的第一性原理計算指的是一切基于量子力學(xué)原理的計算。 我們知道物質(zhì)由分子組成，分子由原子組成，原子由原子核和電子組成。量子力學(xué)計算就是根據(jù)原子核和電子的相互作用原理去計算分子結(jié)構(gòu)和分子能量（或離子），然后就能計算物質(zhì)的各種性質(zhì)。 從頭算（ab initio）是狹義的第一性原理計算，它

7、是指不使用經(jīng)驗參數(shù)，只用電子質(zhì)量，光速，質(zhì)子中子質(zhì)量等少數(shù)實驗數(shù)據(jù)去做量子計算。但是這個計算很慢，所以就加入一些經(jīng)驗參數(shù)，可以大大加快計算速度，當(dāng)然也會不可避免的犧牲計算結(jié)果精度。 那為什么使用“第一性原理”這個字眼呢？據(jù)說這是來源于“第一推動力”這個宗教詞匯。第一推動力是牛頓創(chuàng)立的，因為牛頓第一定律說明了物質(zhì)在不受外力的作用下保持靜止或勻速直線運動。如果宇宙誕生之初萬事萬物應(yīng)該是靜止的，后來卻都在運動，是怎么動起來的呢？牛頓相信這是由于上帝推了一把，并且牛頓晚年致力于神學(xué)研究?，F(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為宇宙起源于大爆炸，那么大爆炸也是有原因的吧。所有這些說不清的東西，都?xì)w結(jié)為宇宙“第一推動力”問題。 科學(xué)

8、不相信上帝，我們不清楚“第一推動力”問題只是因為我們科學(xué)知識不完善。第一推動一定由某種原理決定。這個可以成為“第一原理”。愛因斯坦晚年致力與“大統(tǒng)一場理論”研究，也是希望找到統(tǒng)概一切物理定律的“第一原理”，可惜，這是當(dāng)時科學(xué)水平所不能及的。現(xiàn)在也遠(yuǎn)沒有答案。 但是為什么稱量子力學(xué)計算為第一性原理計算？大概是因為這種計算能夠從根本上計算出來分子結(jié)構(gòu)和物質(zhì)的性質(zhì)，這樣的理論很接近于反映宇宙本質(zhì)的原理，就稱為第一原理了。 廣義的第一原理包括兩大類，以Hartree-Fork自洽場計算為基礎(chǔ)的ab initio從頭算，和密度泛函理論（DFT）計算。也有人主張，ab initio專指從頭算，而第一性原理和所謂量子化學(xué)計算特指密度泛函理論計算。補(bǔ)充解釋第一性原理就是從頭計算，不需要任何參數(shù)，只需要一些基本的物理常量，就可以得到體系基態(tài)的基本性質(zhì)的原理。根據(jù)原子核和電子互相作用的原理及其基本運動規(guī)律，運用量子力學(xué)原理，從具體要求出發(fā)，經(jīng)過一些近似處理后直接求解薛定諤方程的算法，習(xí)慣上稱為第一性原理.廣義的第一原理包括兩大類，以Hartree-Fork