计算材料学：分子动力学 / 普通高等院校材料类专业精品教材
定价：￥56.80
作者： 单斌
出版时间：2026-05
最新印次日期：2026-5
出版社：华中科技大学出版社
- 华中科技大学出版社
- 9787577229126
- 1-1
- 2026-05
- 工学
- 材料类
- 材料类
- 本科
作者简介
内容简介
本书基于“理论基础算法模拟技术应用实践”四位一体的创新框架，系统阐述分子动力学在材料科学中的原理、方法与应用特色。通过融合物理学、材料学和计算科学的多学科视角，聚焦材料微观模拟的前沿进展，针对多尺度建模、精确势函数构建等关键瓶颈问题提出解决思路，拓展分子动力学在金属、陶瓷、高分子、生物材料等领域的应用潜能，凝练国内外研究者的智慧成果，形成从基础到应用、贯穿原子尺度模拟的完整知识链，从而为读者提供深入理解材料分子动力学方法、把握原子尺度材料设计前沿的专业指引。
本书可供从事材料模拟、计算材料学、凝聚态物理学等研究的科研人员和工程技术人员参考，亦可作为高等院校材料科学与工程、应用物理、计算机模拟相关专业课程的教材或教学参考书。
本书可供从事材料模拟、计算材料学、凝聚态物理学等研究的科研人员和工程技术人员参考，亦可作为高等院校材料科学与工程、应用物理、计算机模拟相关专业课程的教材或教学参考书。
目录
第1章绪言（1）
1.1计算材料学的发展（1）
1.1.1计算机硬件的发展（1）
1.1.2计算方法的发展（4）
1.1.3计算材料学的研究尺度与方法（6）
1.2分子动力学方法的特点和优势（7）
1.2.1分子动力学方法的特点（7）
1.2.2分子动力学方法的重要性（9）
1.3分子动力学方法的主要应用领域（10）
1.3.1材料科学（10）
1.3.2生命科学（11）
1.3.3化学和化工（12）
1.4分子动力学方法的局限性和发展趋势（13）
1.4.1分子动力学方法的局限性（13）
1.4.2分子动力学方法的发展趋势（14）
第2章分子动力学方法的理论基础和框架（16）
2.1分子动力学方法的功能（16）
2.1.1多粒子体系的结构优化（16）
2.1.2多粒子体系的动力学演化（16）
2.2分子动力学方法的基本思想（17）
2.3分子动力学模拟流程及要素（18）
2.4初始条件（20）
2.5边界条件（22）
2.6系综理论基础（24）
2.6.1微观态与系综（24）
2.6.2各态历经假说（25）
2.7温度及压强控制方法（26）
2.7.1温度控制方法（26）
2.7.2压强控制方法（28）
第3章势函数与受力（30）
3.1势函数的思想及重要性（30）
3.2对势（31）
3.2.1LennardJones势（31）
3.2.2Buckingham势（32）
3.2.3Morse势（32）
3.2.4对势的局限性（33）
3.3三体势（35）
3.3.1StillingerWeber势（35）
3.3.2Tersoff势（35）
3.4多体势（36）
3.5反应力场势（39）
3.6机器学习势（41）
3.7原子受力计算技巧（44）
3.8原子间作用势数据库（46）
第4章积分及优化算法（49）
4.1多粒子体系的路径积分（49）
4.1.1Euler算法（50）
4.1.2Verlet算法（52）
4.1.3蛙跳算法（54）
4.1.4速度Verlet算法（56）
4.2多粒子体系优化算法（58）
4.2.1优化问题的提出（58）
4.2.2优化问题求解步骤（59）
4.2.3最速下降法（59）
4.2.4共轭梯度法（64）
4.2.5多粒子体系的结构优化（69）
第5章分子动力学模拟的Python程序实现（73）
5.1Python与科学计算（73）
5.1.1Python简介（73）
5.1.2Python环境搭建（73）
5.1.3Python语法规则（75）
5.1.4科学计算包NumPy和SciPy（83）
5.1.5Matplotlib作图（92）
5.2分子动力学程序框架（95）
5.3全局参数设定及初始化（96）
5.3.1基本参数设定（96）
5.3.2坐标与速度初始化（97）
5.4原子受力计算的Python实现（98）
5.4.1LJ势函数实现（98）
5.4.2截断半径的实现（99）
5.4.3原子受力的计算（100）
5.4.4周期性边界条件（101）
5.5系综控制（102）
5.6单步积分算法的实现（103）
5.7迭代主程序及输出（104）
5.8运行结果及可视化（105）
第6章LAMMPS软件及OVITO可视化（107）
6.1LAMMPS软件简介（107）
6.1.1在Linux系统中安装LAMMPS（107）
6.1.2输入脚本的语法和结构（109）
6.1.3命令行功能介绍（111）
6.1.4LAMMPS案例库（129）
6.2OVITO可视化软件介绍（131）
6.2.1OVITO的安装方法（131）
6.2.2OVITO界面介绍（132）
6.2.3OVITO的可视化功能（140）
6.2.4OVITO渲染选项（146）
第7章材料的物态及力学性质模拟（149）
7.1亚稳分域现象及其模拟（149）
7.1.1关键参数与输入脚本（149）
7.1.2可视化与结果分析（150）
7.1.3示例结论（151）
7.2Ar体系的物相分析（151）
7.2.1关键参数与输入脚本（152）
7.2.2可视化与结果分析（153）
7.2.3示例小结（155）
7.3Al平衡晶格常数计算（155）
7.3.1关键参数与输入脚本（155）
7.3.2可视化与结果分析（157）
7.3.3示例小结（159）
7.4Cu的体积模量计算（159）
7.4.1关键参数与输入脚本（161）
7.4.2可视化与结果分析（162）
7.4.3示例小结（163）
7.5Fe的弹性常数计算（164）
7.5.1关键参数与输入脚本（166）
7.5.2可视化与结果分析（168）
7.5.3示例小结（169）
7.6碳含量对钢的拉伸性能的影响（169）
7.6.1关键参数与输入脚本（170）
7.6.2可视化与结果分析（172）
7.6.3示例小结（173）
7.7石墨烯拉伸性能模拟（173）
7.7.1关键参数与输入脚本（174）
7.7.2可视化与结果分析（176）
7.7.3示例小结（177）
7.8碳纳米管的多米诺坍塌模拟（177）
7.8.1关键参数与输入脚本（177）
7.8.2可视化与结果分析（179）
7.8.3示例小结（180）
第8章材料的热力学性质模拟（181）
8.1Cu的比热容计算（181）
8.1.1关键参数与输入脚本（182）
8.1.2可视化与结果分析（183）
8.2Cu的熔点计算（185）
8.2.1关键参数与输入脚本（186）
8.2.2可视化与结果分析（188）
8.3Si纳米线的熔化（190）
8.3.1关键参数与输入脚本（191）
8.3.2可视化与结果分析（192）
8.4Pd纳米颗粒的熔化（193）
8.4.1关键参数与输入脚本（194）
8.4.2可视化与结果分析（195）
8.5铜镍合金纳米晶熔点（197）
8.5.1关键参数与输入脚本（197）
8.5.2可视化与结果分析（198）
第9章材料的缺陷及表面性质模拟（201）
9.1空位形成能计算（201）
9.2自间隙形成能计算（203）
9.3Kr的三相界面模拟（205）
9.3.1关键参数与输入脚本（205）
9.3.2可视化与结果分析（207）
9.4C原子在Si表面的原子沉积模拟（209）
9.4.1关键参数与输入脚本（209）
9.4.2可视化与结果分析（211）
9.5液态Cu在石墨烯表面的浸润性（214）
9.5.1关键参数与输入脚本（214）
9.5.2可视化与结果分析（216）
第10章材料的输运性质模拟（218）
10.1铜镍合金自扩散系数（218）
10.1.1关键参数与输入脚本（218）
10.1.2可视化与结果分析（220）
10.2H在金属间隙中的扩散系数（221）
10.2.1关键参数与输入脚本（221）
10.2.2可视化与结果分析（223）
10.2.3结论与展望（224）
10.3Si声子谱计算（224）
10.3.1关键参数与输入脚本（224）
10.3.3可视化与结果分析（229）
10.4石墨烯热导率的计算（230）
10.4.1关键参数与输入脚本（231）
10.4.2可视化与结果分析（233）
10.5W纳米线热导率计算（233）
10.5.1关键参数与输入脚本（234）
10.5.2可视化与结果分析（236）
参考文献（238）
1.1计算材料学的发展（1）
1.1.1计算机硬件的发展（1）
1.1.2计算方法的发展（4）
1.1.3计算材料学的研究尺度与方法（6）
1.2分子动力学方法的特点和优势（7）
1.2.1分子动力学方法的特点（7）
1.2.2分子动力学方法的重要性（9）
1.3分子动力学方法的主要应用领域（10）
1.3.1材料科学（10）
1.3.2生命科学（11）
1.3.3化学和化工（12）
1.4分子动力学方法的局限性和发展趋势（13）
1.4.1分子动力学方法的局限性（13）
1.4.2分子动力学方法的发展趋势（14）
第2章分子动力学方法的理论基础和框架（16）
2.1分子动力学方法的功能（16）
2.1.1多粒子体系的结构优化（16）
2.1.2多粒子体系的动力学演化（16）
2.2分子动力学方法的基本思想（17）
2.3分子动力学模拟流程及要素（18）
2.4初始条件（20）
2.5边界条件（22）
2.6系综理论基础（24）
2.6.1微观态与系综（24）
2.6.2各态历经假说（25）
2.7温度及压强控制方法（26）
2.7.1温度控制方法（26）
2.7.2压强控制方法（28）
第3章势函数与受力（30）
3.1势函数的思想及重要性（30）
3.2对势（31）
3.2.1LennardJones势（31）
3.2.2Buckingham势（32）
3.2.3Morse势（32）
3.2.4对势的局限性（33）
3.3三体势（35）
3.3.1StillingerWeber势（35）
3.3.2Tersoff势（35）
3.4多体势（36）
3.5反应力场势（39）
3.6机器学习势（41）
3.7原子受力计算技巧（44）
3.8原子间作用势数据库（46）
第4章积分及优化算法（49）
4.1多粒子体系的路径积分（49）
4.1.1Euler算法（50）
4.1.2Verlet算法（52）
4.1.3蛙跳算法（54）
4.1.4速度Verlet算法（56）
4.2多粒子体系优化算法（58）
4.2.1优化问题的提出（58）
4.2.2优化问题求解步骤（59）
4.2.3最速下降法（59）
4.2.4共轭梯度法（64）
4.2.5多粒子体系的结构优化（69）
第5章分子动力学模拟的Python程序实现（73）
5.1Python与科学计算（73）
5.1.1Python简介（73）
5.1.2Python环境搭建（73）
5.1.3Python语法规则（75）
5.1.4科学计算包NumPy和SciPy（83）
5.1.5Matplotlib作图（92）
5.2分子动力学程序框架（95）
5.3全局参数设定及初始化（96）
5.3.1基本参数设定（96）
5.3.2坐标与速度初始化（97）
5.4原子受力计算的Python实现（98）
5.4.1LJ势函数实现（98）
5.4.2截断半径的实现（99）
5.4.3原子受力的计算（100）
5.4.4周期性边界条件（101）
5.5系综控制（102）
5.6单步积分算法的实现（103）
5.7迭代主程序及输出（104）
5.8运行结果及可视化（105）
第6章LAMMPS软件及OVITO可视化（107）
6.1LAMMPS软件简介（107）
6.1.1在Linux系统中安装LAMMPS（107）
6.1.2输入脚本的语法和结构（109）
6.1.3命令行功能介绍（111）
6.1.4LAMMPS案例库（129）
6.2OVITO可视化软件介绍（131）
6.2.1OVITO的安装方法（131）
6.2.2OVITO界面介绍（132）
6.2.3OVITO的可视化功能（140）
6.2.4OVITO渲染选项（146）
第7章材料的物态及力学性质模拟（149）
7.1亚稳分域现象及其模拟（149）
7.1.1关键参数与输入脚本（149）
7.1.2可视化与结果分析（150）
7.1.3示例结论（151）
7.2Ar体系的物相分析（151）
7.2.1关键参数与输入脚本（152）
7.2.2可视化与结果分析（153）
7.2.3示例小结（155）
7.3Al平衡晶格常数计算（155）
7.3.1关键参数与输入脚本（155）
7.3.2可视化与结果分析（157）
7.3.3示例小结（159）
7.4Cu的体积模量计算（159）
7.4.1关键参数与输入脚本（161）
7.4.2可视化与结果分析（162）
7.4.3示例小结（163）
7.5Fe的弹性常数计算（164）
7.5.1关键参数与输入脚本（166）
7.5.2可视化与结果分析（168）
7.5.3示例小结（169）
7.6碳含量对钢的拉伸性能的影响（169）
7.6.1关键参数与输入脚本（170）
7.6.2可视化与结果分析（172）
7.6.3示例小结（173）
7.7石墨烯拉伸性能模拟（173）
7.7.1关键参数与输入脚本（174）
7.7.2可视化与结果分析（176）
7.7.3示例小结（177）
7.8碳纳米管的多米诺坍塌模拟（177）
7.8.1关键参数与输入脚本（177）
7.8.2可视化与结果分析（179）
7.8.3示例小结（180）
第8章材料的热力学性质模拟（181）
8.1Cu的比热容计算（181）
8.1.1关键参数与输入脚本（182）
8.1.2可视化与结果分析（183）
8.2Cu的熔点计算（185）
8.2.1关键参数与输入脚本（186）
8.2.2可视化与结果分析（188）
8.3Si纳米线的熔化（190）
8.3.1关键参数与输入脚本（191）
8.3.2可视化与结果分析（192）
8.4Pd纳米颗粒的熔化（193）
8.4.1关键参数与输入脚本（194）
8.4.2可视化与结果分析（195）
8.5铜镍合金纳米晶熔点（197）
8.5.1关键参数与输入脚本（197）
8.5.2可视化与结果分析（198）
第9章材料的缺陷及表面性质模拟（201）
9.1空位形成能计算（201）
9.2自间隙形成能计算（203）
9.3Kr的三相界面模拟（205）
9.3.1关键参数与输入脚本（205）
9.3.2可视化与结果分析（207）
9.4C原子在Si表面的原子沉积模拟（209）
9.4.1关键参数与输入脚本（209）
9.4.2可视化与结果分析（211）
9.5液态Cu在石墨烯表面的浸润性（214）
9.5.1关键参数与输入脚本（214）
9.5.2可视化与结果分析（216）
第10章材料的输运性质模拟（218）
10.1铜镍合金自扩散系数（218）
10.1.1关键参数与输入脚本（218）
10.1.2可视化与结果分析（220）
10.2H在金属间隙中的扩散系数（221）
10.2.1关键参数与输入脚本（221）
10.2.2可视化与结果分析（223）
10.2.3结论与展望（224）
10.3Si声子谱计算（224）
10.3.1关键参数与输入脚本（224）
10.3.3可视化与结果分析（229）
10.4石墨烯热导率的计算（230）
10.4.1关键参数与输入脚本（231）
10.4.2可视化与结果分析（233）
10.5W纳米线热导率计算（233）
10.5.1关键参数与输入脚本（234）
10.5.2可视化与结果分析（236）
参考文献（238）
