斯坦福探究项目:模拟凝固态惰性气体的原子运动和相变

描述

斯坦福探究项目

模拟凝固态惰性气体的原子运动和相变

课题简介

计算材料学是材料科学和计算机科学的交叉学科,是一门正在快速发展的新兴学科,也是材料科学中一个重要的研究方向。它一方面从实验数据入手,通过建立数学模型模型,使用计算机进行模拟计算出实际过程,另一方面是材料的计算机设计,即直接通过建立材料的理论模型和计算,预测或者设计材料的结构和性质。计算材料学既可以解决理论方面研究体系的复杂性,又可以解决实验室无法具备的一些特殊环境,例如超高压,超高温等极端环境。

分子动力学是计算材料学的计算模拟方法之一,该方法主要通过牛顿力学来模拟实际分子体系的运动,是一种多体模拟方法。该方法通过对分子在一定时间内的运动状态的模拟计算,引入统计物理的概念,计算出该材料的宏观热力学性质以及研究系统的演变过程。

蒙特卡罗方法,是一种统计实验或随机抽样的方法,属于计算数学的分支。该方法从物理系统背后的数学模型出发,引入随机数和概率统计方法,进行一定次数的模拟计算得出计算结果。在计算材料学的应用中,该方法同样可以模拟分子的运动(随机扩散,相变等)。

本课题旨在让学生了解计算材料学,深入学习分子动力学和蒙特卡罗方法的基础理论,结合惰性气体的相关材料学知识,使用计算机实现该模拟,计算原子体系的部分基础性质,并且让学生进行对比试验,了解两种方法的优点以及缺点。

 

科研方法

计算机仿真模拟

计算机仿真模拟是一种运用计算机软件建立抽象模型、模拟真实条件并进行分析的技术。与传统的实验相比,计算机模拟技术通过数学建模,解放了普通实验对于器材的苛刻要求,具有可多次进行、反复试错的优点。同时,由于计算机模拟技术黑箱化了复杂的理论推导与数据计算,能够以直观的方式呈现研究的成果,对于初次涉猎科学研究的高中生而言,也更为简单易学、容易上手。

例如:在设计外太空的卫星轨道时,受制于客观条件,科研工作者无法在地球上重现外太空的环境,因此,只能借助计算机强大的运算能力,对外太空的情况和卫星的轨道进行模拟、反复实验,并基于模拟实验的结果,完成科学的轨道设计。

 


授课导师

1. 斯坦福大学材料学硕士

2. 在斯坦福大学担任研究助理,研究方向为二维材料的模拟计算;

3. 本科时独立研究预测氮化铬的性质和锂电池结构问题。

 

课题要求

本课题适合: 9-12 年级学生,有较强的逻辑思维和抽象思维能力:

英文:
1、具备基本的学术英语阅读能力;
2、接触过英文写作,能初步撰写英文文章;

 

数学:
1、微积分;
2、概率统计基础知识;

 

计算机:
最好有一定Matlab基础。

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