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出版者:科学出版社

作者:帅志刚

出品人:

页数:578

译者:

出版时间:2013-1-1

价格:150.00元

装帧:精装

isbn号码:9787030358530

丛书系列:纳米科学与技术

图书标签:

• 纳米结构与性能的理论计算与模拟
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图书简介：纳米结构与性能的理论计算与模拟 核心主题： 本书深入探讨了材料科学、凝聚态物理和计算化学交叉领域的前沿课题，聚焦于利用先进的计算模拟技术，揭示和预测纳米尺度材料的结构-性能关系。全书旨在为研究人员、工程师和高年级学生提供一套全面、系统的理论框架和实用工具，以指导新一代功能纳米材料的设计与开发。 内容结构与重点章节： 第一部分：理论基础与计算方法 本部分为全书的理论基石，详细介绍了支撑纳米尺度模拟的计算物理与化学原理。 第一章：引言：纳米尺度世界的挑战与机遇 本章首先概述了纳米科技的当前发展阶段及其在能源、环境、生物医学等关键领域中的应用潜力。重点阐述了在纳米尺度上，经典物理模型失效的原因，并引入量子效应和表面/界面效应的重要性。强调了计算模拟作为实验手段的有力补充，在理解复杂现象和加速材料发现中的核心作用。 第二章：密度泛函理论（DFT）在材料模拟中的应用 DFT作为当前最主流的第一性原理计算方法，在本章得到详尽阐述。内容涵盖了 Kohn-Sham 方程的推导、交换关联泛函（LDA, GGA, meta-GGA）的选择与局限性。特别关注了如何将周期性边界条件应用于纳米结构（如薄膜、量子点、纳米线）的计算。此外，还讨论了如何精确计算能带结构、电子态密度（DOS）以及结构弛豫的收敛标准。 第三章：分子动力学（MD）模拟的理论框架与尺度扩展 本章深入探讨了分子动力学模拟的原理，包括牛顿运动方程的积分算法（如 Verlet 算法）和能量守恒的保证。重点区分了基于第一性原理的从头算分子动力学（AIMD）和基于势函数的经典分子动力学（CMD）。详细分析了势函数的构建，特别是如何为复杂或非传统的纳米体系（如有机-无机杂化材料）开发高精度的势场（如嵌入原子法 EAM、ReaxFF）。章节最后讨论了如何通过使用加速算法（如 Nosé-Hoover 热浴、限制性采样）来模拟更长的弛豫时间和更宏观的动力学过程。 第四章：介观尺度模拟：从原子到连续介质的桥梁 为了弥补原子级模拟（计算成本高）和宏观模型（忽略细节）之间的鸿沟，本章介绍了介观尺度的模拟方法。内容包括：蒙特卡洛（MC）方法在自组装和相变模拟中的应用；相场（Phase Field）方法在描述形貌演化、缺陷迁移和材料生长动力学中的优势；以及如何利用有限元法（FEM）结合本构关系来模拟纳米器件的电学和机械响应。 第二部分：特定纳米结构与性能的模拟 本部分将理论工具应用于具体的纳米材料体系，展示计算模拟在解决实际科学问题中的能力。 第五章：低维半导体纳米结构（量子点与纳米线）的光电性能预测 本章聚焦于量子限制效应对材料电子结构的影响。详细讲解了如何利用有效质量近似（EMA）和更精确的 $k cdot p$ 方法来计算量子点的电子能级和光学吸收光谱。重点探讨了表面钝化对荧光量子效率的影响，以及通过理论计算优化纳米线在光电器件中的载流子传输特性。讨论了如何模拟异质结界面处的电荷分离和传输机制。 第六章：纳米催化剂的表面反应机理与活性位点识别 在能源和环境催化领域，本章阐述了如何利用 DFT 模拟来解析催化反应路径。详细介绍了“粘合能相似性原理”（SABRE）和反应能垒的计算。内容涵盖了如何准确识别和描述活性位点（如缺陷、边缘或掺杂原子），并模拟气体分子在不同晶面上的吸附、扩散和反应动力学。重点分析了电催化反应中电荷转移过程和电极/电解质界面的重构。 第七章：新型二维材料的机械稳定性与输运特性 本章关注石墨烯、过渡金属硫化物（TMDs）等二维材料。模拟内容涉及：如何计算其杨氏模量、泊松比以及层间范德华相互作用的强度。在电子输运方面，讨论了如何利用玻尔兹蒙特卡洛（BTE）方法结合 DFT 计算声子散射率，从而预测纳米材料的热导率。同时，模拟了晶界、褶皱和褶皱对电子迁移率的影响。 第八章：纳米复合材料与界面工程 本章探讨了纳米填料（如碳纳米管、纳米粘土）在聚合物基体或金属基体中的分散和界面作用。侧重于使用 MD 模拟来研究纳米颗粒的随机取向、团聚倾向以及界面处的分子链/原子键合强度。重点分析了界面能对宏观复合材料力学性能（如韧性和强度）的贡献，以及如何通过界面化学修饰来优化这些性能。 第三部分：计算模拟的前沿趋势与展望 本部分着眼于计算方法的进步和未来研究方向。 第九章：高通量计算与材料基因组学 介绍了如何整合自动化结构生成、高通量 DFT 计算和机器学习（ML）模型来加速材料筛选过程。阐述了如何构建材料数据库（如 Materials Project）以及如何训练 ML 模型来快速预测特定纳米结构（如合金纳米颗粒）的稳定性和催化活性，从而实现“计算驱动的材料设计”。 第十章：结合机器学习与量子化学的展望 讨论了如何利用深度学习（DL）来构建高精度的势能面，从而突破经典 MD 模拟中势函数精度和时间尺度的限制。展望了在模拟复杂多尺度系统（如生物相容性纳米载药系统）时，如何将多尺度模拟结果与实验数据进行有效的数据融合与反馈，推动纳米科学的进一步发展。 适用读者对象： 本书适合具备基础物理化学和材料科学知识的研究生、博士后研究人员、从事纳米材料设计与优化的工业研发工程师，以及希望掌握前沿计算工具的青年教师和科研工作者。通过阅读本书，读者将能够独立构建和执行针对特定纳米问题的计算方案，并能批判性地分析模拟结果与实验现象之间的关系。

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这本书的语言风格非常学术化，行文逻辑严密，几乎没有冗余的描述，这对于专业人士来说是极大的优点，可以快速定位所需信息。我发现它在理论框架的构建上非常扎实，从微观粒子间的相互作用到宏观材料性能的预测，中间的桥梁搭建得非常牢固。特别是关于计算误差分析的那一章，简直是教科书级别的范例，清晰地指出了不同理论近似在不同体系中的适用边界。然而，这种极致的严谨性偶尔也会带来阅读上的疲劳感，有时会希望作者能用更生动、更贴近物理直觉的语言来过渡一下，毕竟，物理的魅力很大一部分在于其背后蕴含的美感和洞察力，而不是冰冷的数学推导。

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这本书的内容深度，说实话，让我这种半路出家的人感到有点吃力，但同时也充满了挑战的乐趣。我尤其欣赏作者在阐述基本原理时所展现出的那种细致入微的态度，每一个假设、每一步近似的引入，都有详尽的背景铺垫。这使得即便是涉及高深的量子力学或密度泛函理论的部分，也不会让人感到突兀地被“扔”进深水区。书中对计算方法的介绍，比如各种算法的收敛性讨论，那种近乎“手把手”的教学方式，对于想深入理解软件背后原理的研究者来说，绝对是宝贵的财富。但我也注意到，在讨论一些前沿应用，比如拓扑绝缘体或新型催化剂的模拟时，似乎留给读者的思考和自行拓展的空间略显不足，更多的是展示了“如何算”而不是“算出了什么新东西”。

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这本书的结构安排极具匠心，它采取了一种由浅入深、螺旋上升的模式来组织材料。一开始是对基础计算工具的介绍，然后逐步过渡到复杂的材料体系模拟，这种循序渐进的方式极大地降低了跨学科阅读的门槛。我发现，作者在介绍不同计算方法时，总是会对比它们的优缺点和适用范围，这种辩证的视角非常有助于读者形成批判性的思维，而不是盲目地采纳某一种特定的计算范式。不过，如果在“性能”与“结构”的关联性上，能再增加一些专门的案例研究，用更加直观的图表展示特定结构缺陷如何直接影响材料的电学或力学性能，相信能让读者对“理论计算”的实际价值有更深刻的体会。

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这本书的装帧设计挺有意思的，封面用了一种偏冷色调的蓝色，感觉很专业，但又不失现代感。拿到手里感觉分量十足，纸张的质量也很好，翻阅起来触感很舒适。我特别喜欢它在排版上的用心，公式和图表的布局都很清晰，很少出现那种让人眼花缭乱的拥挤感。尤其是那些复杂的理论推导，作者似乎花了很多心思去设计视觉流线，让读者能更顺畅地跟进思路。不过，作为一个初学者，我还是觉得有些地方的图示略显单薄，如果能再多一些与实际实验结果对比的彩图，那就更完美了，毕竟理论和实践的结合才是检验真理的唯一标准嘛。总的来说，这本书给人的第一印象是严谨且注重细节的，从包装到内页设计，都透露出一种对知识本身的尊重。

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作为一本工具书性质的教材或参考资料，这本书的参考文献列表的广度和深度令人印象深刻，几乎涵盖了该领域几个重要的发展阶段和核心文献。这表明作者在编写过程中做了大量的案头工作，确保了所引用的理论和方法都具有权威性。我特别欣赏其中穿插的一些“历史注脚”，简要介绍了某个重要公式或理论的提出背景，这让冰冷的公式背后多了一丝人文学科的温度。唯一的遗憾是，由于这个领域发展太快，这本书在某些最新的、突破性的算法应用方面似乎稍微滞后了一点点，我期待未来再版时，能看到更多关于机器学习辅助材料模拟等新兴领域的深入探讨，毕竟，计算科学的未来正变得越来越“智能”。

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