Nat. Mater.综述：材料多尺度建模怎么搞 哥大告诉你

【引言】

多尺度建模是一个影响许多领域的概念，但它在过去几十年中对材料建模具有十分重要的影响。多尺度建模涉及方程、参数或模拟算法的推导，这些方程、参数或模拟算法在更精细尺度的物理基础上描述给定长度尺度的行为，前提是精细尺度物理和结构比大尺度的物理和结构更容易理解。精细尺度可以包括电子、原子、分子及其聚集体，或中尺度结构，例如相或晶粒。这与传统的宏观现象学形成对比，后者直接在与分析和设计相关的更大的尺度上描述材料行为，并且更依赖于可用的实验数据而不是微观解释。多尺度模型的一个同样重要的目标是能够将连续尺度描述（例如变形或温度场）映射到较小尺度的特征（例如原子或晶粒的相对位置和速度）上。虽然使用统计力学工具提供精细和大尺度之间的联系对于均质材料和简单属性可能意义不大，但对于异质系统而言，这项工作挑战性十足，特别是对于描述材料的大变形和失效。这些复杂问题的解决使科研工作者相信多尺度计算将在未来的纳米技术和材料基因组研究中发挥关键的作用。

【成果简介】

美国哥伦比亚大学的Jacob Fish在这篇综述中介绍一些关键概念和多尺度建模的现状，以及最近的进展和一些重要且有前景的未来研究领域。作者总结了当前多尺度建模发展时期的工作，包括 1990 年代和 2000 年代提出的继续影响该领域的思想，并举例说明了将机器学习和材料设计等新领域引入到多尺度计算中。文章侧重于材料的机械和热机械性能模型，因为这些模型为多尺度理论的发展提供了一条便捷的途径，但所讨论的许多概念可以扩展到复杂材料的电、磁和化学性质的多尺度预测。该成果以题为“Mesoscopic and multiscale modelling in materials”发表在Nat. Mater.上。

【图文导读】

图1.模拟制造对复合材料性能的影响

(a) 多空间尺度化学热机械过程的耦合 (b) 模型缩减和数学放大 (c) 由制造引起的预测残余应力 (d) 组件级别的模型验证

图2.基于物理的 MD 粗粒度放大方法

图3.石英玻璃高压致密化的模型

(a) 使用熔融淬火方法构建石英玻璃原子晶胞 (b) 分子结构验证 (c) 训练集的构建 (d) 基于连续耦合状态的塑性-损伤模型的神经网络训练 (e) 验证：超高速撞击实验与近场动力学模拟

图4.原子和连续晶格系统的 QC 建模

图5.显示由三个尺度组成的单个多重网格 V 循环的示意图

图6.多尺度科学与工程的 Gartner 循环

图7.多水平直接可计算物理框架的单水平

【小结】

多尺度建模的概念在过去几十年中出现，用于描述寻求使用从系统中更精细尺度的计算模型中收集的信息来模拟连续尺度行为的程序，而不是求助于经验本构模型。目前已经开发了大量这样的方法，采用了一系列方法来跨越多个长度和时间尺度。作者介绍了多尺度建模的一些关键概念，并展示了来自几类模型的方法示例，包括近年来开发的集成机器学习和材料设计等新领域的技术。

文献链接：Mesoscopic and multiscale modelling in materials. Nat. Mater., 2021, DOI:10.1038/s41563-020-00913-0

本文由材料人学术组tt供稿，材料牛整理编辑。