斯坦福探究项目：模拟凝固态惰性气体的原子运动和相变

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。

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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。