Цикл лекций ведущего ученого Талгата Инербаева. Лекция 1 «Обзор основных методов компьютерного моделирования свойств материалов»

ru

В НИТУ МИСИС состоится цикл лекций ведущего ученого Талгата Инербаева из Евразийского Национального Университета им. Л. Н. Гумилева, г. Астана.

Талгат Инербаев — победитель открытого международного конкурса на получение грантов НИТУ МИСИС для поддержки приглашения ведущих ученых на короткий срок для проведения совместных научных исследований в области развития научного направления

Лекция 1 «Обзор основных методов компьютерного моделирования свойств материалов»

Бурный рост производительности современных вычислительных систем привел к резкому удешевлению машинного времени, что делает методы компьютерного моделирования мощным и относительно дешевым инструментом исследования. Современные теоретические методы позволяют моделировать широкий спектр физико-химических свойств материалов. Во многих случаях такого рода моделирование позволяет получить детальную картину исследуемых процессов, при том, что аналогичные данные получить или крайне тяжело и требует огромных усилий, или в настоящее время невозможно в принципе.

В зависимости от поставленной задачи и исследуемого объекта необходимо использовать различные методы исследования. Так, при изучении динамики движения атомов возможно использование аналитических атом-атомных потенциалов. Преимуществом данного подхода является его вычислительная дешевизна, проявляющаяся в том, что многие интересующие физические свойства сложных систем зависят от производных потенциальной энергии межатомного взаимодействия. В данном случае эти производные можно рассчитать аналитически, что резко сокращает количество вычислений, что позволяет анализировать системы с большим (до сотен тысяч) атомов. Недостатком такого подхода является необходимость знания аналитических выражений для энергии взаимодействия между собой для различных атомов и ионов, а также невозможность рассмотрение систем, в которых происходит перенос заряда и/или химические реакции.

Для более точного описания свойств материалов используют так называемое моделирование «из первых принципов», или ab initio расчеты. Термин «из первых принципов» означает, что при моделировании не используются эмпирические и подгоночные параметры, кроме мировых констант, таких как заряд и масса электрона, масса протона, постоянная Планка и скорость света. Моделирование в данном случае основано на решении уравнения Шредингера (если можно пренебречь релятивистскими эффектами) для многоэлектронной задачи.

Особым способом описания многоэлектронных систем является метод теории функционала плотности. Строго говоря, эта теория не относится к ab initio методам в виду самого способа построения используемых функционалов, хотя в литературе его часто к ним относят. Для решения задачи описания свойств многоэлектронных систем за последние десятилетия разработано огромное количество методов и алгоритмов, реализованных в большом количестве различных программных продуктов.

Различные аспекты реализации указанных методик, их сильные и слабые стороны будут обсуждены.