斯坦福探究項目

模擬凝固態惰性氣體的原子運動和相變

課題簡介

計算材料學是材料科學和計算機科學的交叉學科，是一門正在快速發展的新興學科，也是材料科學中一個重要的研究方向。它一方面從實驗數據入手，通過建立數學模型模型，使用計算機進行模擬計算出實際過程，另一方面是材料的計算機設計，即直接通過建立材料的理論模型和計算，預測或者設計材料的結構和性質。計算材料學既可以解決理論方面研究體系的復雜性，又可以解決實驗室無法具備的一些特殊環境，例如超高壓，超高溫等極端環境。

分子動力學是計算材料學的計算模擬方法之一，該方法主要通過牛頓力學來模擬實際分子體系的運動，是一種多體模擬方法。該方法通過對分子在一定時間內的運動狀態的模擬計算，引入統計物理的概念，計算出該材料的宏觀熱力學性質以及研究系統的演變過程。

蒙特卡羅方法，是一種統計實驗或隨機抽樣的方法，屬于計算數學的分支。該方法從物理系統背后的數學模型出發，引入隨機數和概率統計方法，進行一定次數的模擬計算得出計算結果。在計算材料學的應用中，該方法同樣可以模擬分子的運動（隨機擴散，相變等）。

本課題旨在讓學生了解計算材料學，深入學習分子動力學和蒙特卡羅方法的基礎理論，結合惰性氣體的相關材料學知識，使用計算機實現該模擬，計算原子體系的部分基礎性質，并且讓學生進行對比試驗，了解兩種方法的優點以及缺點。

科研方法

計算機仿真模擬

計算機仿真模擬是一種運用計算機軟件建立抽象模型、模擬真實條件并進行分析的技術。與傳統的實驗相比，計算機模擬技術通過數學建模，解放了普通實驗對于器材的苛刻要求，具有可多次進行、反復試錯的優點。同時，由于計算機模擬技術黑箱化了復雜的理論推導與數據計算，能夠以直觀的方式呈現研究的成果，對于初次涉獵科學研究的高中生而言，也更為簡單易學、容易上手。

例如：在設計外太空的衛星軌道時，受制于客觀條件，科研工作者無法在地球上重現外太空的環境，因此，只能借助計算機強大的運算能力，對外太空的情況和衛星的軌道進行模擬、反復實驗，并基于模擬實驗的結果，完成科學的軌道設計。

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課題要求

本課題適合： 9-12 年級學生，有較強的邏輯思維和抽象思維能力：

英文：
1、具備基本的學術英語閱讀能力；
2、接觸過英文寫作，能初步撰寫英文文章；

 

數學：
1、微積分；
2、概率統計基礎知識；

 

計算機：
最好有一定Matlab基礎。