在現(xiàn)代材料科學(xué)領(lǐng)域，計(jì)算材料學(xué)已經(jīng)成為不可或缺的一部分。隨著計(jì)算材料科學(xué)朝著大尺度、復(fù)雜化、高通量的方向發(fā)展，開(kāi)發(fā)出集成度高、運(yùn)算速度快的軟件已經(jīng)迫在眉睫了。在碼農(nóng)的世界里，“開(kāi)源”對(duì)應(yīng)的不是“節(jié)流”，而是“分布式開(kāi)發(fā)”。開(kāi)源軟件的開(kāi)發(fā)可以很大程度上解決可重復(fù)性的問(wèn)題，打破計(jì)算材料學(xué)的技術(shù)和資金壁壘，避免“卡脖子”的問(wèn)題，受到計(jì)算材料學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。相較于第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)等計(jì)算材料界的“前輩”，相場(chǎng)模擬經(jīng)過(guò) 20 余年的“乘風(fēng)破浪”的發(fā)展，雖然略顯小眾卻也風(fēng)景這邊獨(dú)好。在相場(chǎng)模擬領(lǐng)域，“開(kāi)源軟件”的現(xiàn)狀如何？未來(lái)又將如何發(fā)展？且聽(tīng)本文作者為您慢慢道來(lái)。

相場(chǎng)模擬朝著開(kāi)源開(kāi)放的未來(lái)發(fā)展 近日，浙江大學(xué)材料學(xué)院洪子健研究員聯(lián)合卡內(nèi)基梅隴大學(xué)副教授Venkat Viswanathan在ACS Energy Letters上以“Open-Sourcing Phase-Field Simulations for Accelerating Energy Materials Designand Optimization”為標(biāo)題發(fā)表觀點(diǎn)性論文，詳細(xì)論述了開(kāi)源相場(chǎng)領(lǐng)域的前世今生，特別是開(kāi)源相場(chǎng)在助力新能源材料的設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域的未來(lái)方向。

文章首先簡(jiǎn)要的闡述了相場(chǎng)模擬的原理，在整個(gè)計(jì)算材料光譜中的位置，并列舉了相場(chǎng)模擬在材料科學(xué)領(lǐng)域的一些具體的應(yīng)用實(shí)例。研究發(fā)現(xiàn)，近 20 年來(lái)，相場(chǎng)領(lǐng)域突飛猛進(jìn)，相關(guān)的 SCI 文獻(xiàn)已經(jīng)達(dá)到年均 1000 篇的水平，但是，開(kāi)源相場(chǎng)領(lǐng)域尚處于萌芽階段，目前每年僅有十篇左右，具有很大發(fā)展的前景和空間。

相場(chǎng)模擬的尺度，在材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用和目前發(fā)展的現(xiàn)狀 接著文章概述了當(dāng)前具備相場(chǎng)模擬功能的 7 大開(kāi)源軟件。它們大多由國(guó)家實(shí)驗(yàn)室或者高校開(kāi)發(fā)，也有部分是多個(gè)單位聯(lián)合開(kāi)發(fā)。這些軟件都是由 C++或者 Python 寫(xiě)成，也有部分軟件有 C 和 Python 兩個(gè)版本。研究發(fā)現(xiàn)，大部分軟件的開(kāi)發(fā)者非?；钴S，更新的頻率較高，有著較好的軟件使用說(shuō)明和官方主頁(yè)。但是，僅有約一半的軟件有自己的用戶群組，另外只有 3 個(gè)舉辦過(guò)用戶會(huì)議。這些都是目前開(kāi)源軟件亟待完善的方面。而在用戶群組中，有幾個(gè)軟件的年均帖子數(shù)已經(jīng)達(dá)到上千個(gè)，顯示出較好的開(kāi)發(fā)者和用戶之間的互動(dòng)和協(xié)作。而在對(duì)這些軟件 Github 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，這些軟件的分叉數(shù)已經(jīng)從數(shù)十到數(shù)百，體現(xiàn)了這些開(kāi)源軟件的活躍度。 基于上述研究，開(kāi)源相場(chǎng)現(xiàn)有的群體已經(jīng)顯示出較為良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，未來(lái)的發(fā)展也是很值得期待。文章更進(jìn)一步的提出了開(kāi)源的多尺度模擬框架，該框架集成了多種模擬方法如第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)、蒙特卡洛、相圖計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等現(xiàn)代計(jì)算方法，并且各種計(jì)算方式都使用開(kāi)源軟件。使用傳統(tǒng)的付費(fèi)軟件，一個(gè)組要開(kāi)發(fā)出多種計(jì)算模式所需要的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和資金不菲，而這種全開(kāi)源的計(jì)算框架可以由不同領(lǐng)域的專(zhuān)家“分布式”開(kāi)發(fā)，很好的揚(yáng)長(zhǎng)避短，而整個(gè)計(jì)算材料群體都能享受這種開(kāi)發(fā)帶來(lái)的成果，大幅節(jié)約人力、資金等成本。 在文章的最后，作者也是鼓勵(lì)和希望整個(gè)相場(chǎng)計(jì)算領(lǐng)域朝著開(kāi)源開(kāi)放的方向發(fā)展，在開(kāi)源中擴(kuò)大整個(gè)相場(chǎng)計(jì)算群體的規(guī)模，降低領(lǐng)域新人的技術(shù)壁壘，促進(jìn)相場(chǎng)計(jì)算在能源材料開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域的應(yīng)用。在此處改編一句畢加索的名言：“好的科學(xué)家寫(xiě)程序，而頂尖的科學(xué)家在用別人的程序”。

一個(gè)集成的開(kāi)源的多尺度模擬框架 論文的通訊作者為浙江大學(xué)材料學(xué)院洪子健研究員和卡內(nèi)基梅隴大學(xué) Venkat Viswanathan 副教授。

洪子健研究員個(gè)人網(wǎng)站：

https://person.zju.edu.cn/0020081

文章鏈接：

Z. Hong, V. Viswanathan, ACS Energy Lett. 5, XXX, 3254–3259 (2020).

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c01904

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：ACS Energy Letters：開(kāi)源相場(chǎng)助力能源材料新發(fā)現(xiàn)

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