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

相場模擬朝著開源開放的未來發(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)表觀點性論文，詳細(xì)論述了開源相場領(lǐng)域的前世今生，特別是開源相場在助力新能源材料的設(shè)計和發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域的未來方向。

文章首先簡要的闡述了相場模擬的原理，在整個計算材料光譜中的位置，并列舉了相場模擬在材料科學(xué)領(lǐng)域的一些具體的應(yīng)用實例。研究發(fā)現(xiàn)，近 20 年來，相場領(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，開源相場領(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。

相場模擬的尺度，在材料設(shè)計領(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)前具備相場模擬功能的 7 大開源軟件。它們大多由國家實驗室或者高校開發(fā)，也有部分是多個單位聯(lián)合開發(fā)。這些軟件都是由 C++或者 Python 寫成，也有部分軟件有 C 和 Python 兩個版本。研究發(fā)現(xiàn)，大部分軟件的開發(fā)者非?；钴S，更新的頻率較高，有著較好的軟件使用說明和官方主頁。但是，僅有約一半的軟件有自己的用戶群組，另外只有 3 個舉辦過用戶會議。這些都是目前開源軟件亟待完善的方面。而在用戶群組中，有幾個軟件的年均帖子數(shù)已經(jīng)達(dá)到上千個，顯示出較好的開發(fā)者和用戶之間的互動和協(xié)作。而在對這些軟件 Github 的統(tǒng)計數(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)了這些開源軟件的活躍度。 基于上述研究，開源相場現(xiàn)有的群體已經(jīng)顯示出較為良好的發(fā)展態(tài)勢，未來的發(fā)展也是很值得期待。文章更進(jìn)一步的提出了開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、分子動力學(xué)、蒙特卡洛、相圖計算、機(jī)器學(xué)習(xí)等現(xiàn)代計算方法，并且各種計算方式都使用開源軟件。使用傳統(tǒng)的付費軟件，一個組要開發(fā)出多種計算模式所需要的技術(shù)經(jīng)驗和資金不菲，而這種全開源的計算框架可以由不同領(lǐng)域的專家“分布式”開發(fā)，很好的揚長避短，而整個計算材料群體都能享受這種開發(fā)帶來的成果，大幅節(jié)約人力、資金等成本。 在文章的最后，作者也是鼓勵和希望整個相場計算領(lǐng)域朝著開源開放的方向發(fā)展，在開源中擴(kuò)大整個相場計算群體的規(guī)模，降低領(lǐng)域新人的技術(shù)壁壘，促進(jìn)相場計算在能源材料開發(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)家寫程序，而頂尖的科學(xué)家在用別人的程序”。

一個集成的開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：開源相場助力能源材料新發(fā)現(xiàn)

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