丰富多样的材料和人类文明息息相关。当今，对先进材料及创新型可持续材料制备方法的需求与日俱增。因此，理解不同材料及其制备过程至关重要。随着计算机技术的快速发展，仿真和模拟已成为材料研究中不可或缺的一部分。计算材料学主要致力于建立可预测或可描述的模型，以帮助研究材料的内在机理并减少新材料开发的时间和成本。National Science Review（《国家科学评论》）2018年第3期出版了关于计算材料与多尺度系统的前沿进展专题，敬请收阅。
为描述材料以及材料制备的多尺度本质，现已发展出不同的计算方法。其中一些方法的结合使用也出现在学术论文中，以更好地理解材料在不同条件下的离散和连续行为。尽管计算方法和实验技术基本处于同步发展的状态，但计算模拟可以提供比现有实验技术更为丰富的信息，有其独特的优势和重要的意义。
近日，来自澳大利亚莫纳什大学颗粒技术仿真与模拟研究中心的余艾冰教授作为特邀编辑，概括性阐述了用于研究多尺度材料及其制备过程的多种计算模拟方法，并对本期的文章进行了简要介绍。
声子是晶格振动的元激发，是固体中热输运的主要载体。许多重要的实际应用与器件（如集成电路的散热、热障涂层、热电效应、热二极管、热三极管等）都需要有效地控制声子输运，与之相关的研究构成了现代物理学的一大分支——声子学。另一方面，新型拓扑量子物态的发现，如量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体、拓扑半金属等，从根本上改变了人们对电子态的认识，并对电子学、自旋电子学、拓扑量子计算等领域产生了革命性的影响。最新的研究工作将拓扑的物理概念引入声子学，利用Berry相位、拓扑等新奇的量子自由度，实现全新的声子操控，因此诞生了一个新兴的研究领域——拓扑声子学。在本专题中，来自清华大学的段文晖院士和徐勇助理教授（共同通讯作者）等人从基础理论到潜在应用，概括了声子的Berry相和拓扑效应的最新研究进展。
晶格固体拓扑材料包括：拓扑绝缘体（TIs）、拓扑晶体绝缘体（TCIs）、拓扑狄拉克半金属（DSMs）、拓扑外尔半金属（WSMs）、拓扑狄拉克或外尔节线半金属（NLSMs）等等。它们都具有受拓扑保护的重要表面态等特征。因为拓扑材料在自旋电子学、量子计算机以及新物理等领域的应用前景巨大，近年来，研究人员对它们进行了大量而深入的研究。目前，具有特殊性质的拓扑材料的设计，还是严重依赖传统的试错法。在本专题中，来自中国科学院金属研究所的陈星秋研究员介绍了用于拓扑材料设计的高通量计算方法的相关情况。
面对石油资源日渐匮乏和生态环境严重恶化的双重压力，利用氢能这一清洁能源取代以化石燃料为基础的现有能源已成为全球关注的热点。就目前氢能发展的现状而言，高效的储氢方式及储氢材料的研发是实现氢能经济的关键和瓶颈。在储氢家族中，有一系列由轻元素B、N、Li、Na、Al、Mg、Ca等与H构成的三维固态化合物，如NaAlH4、LiNH2、LiBH4, Li4BN3H10、MgH2、AlH3、氨硼烷(NH3BH3)等。它们具有较高的氢质量分数和氢体积分数，但存在放氢温度偏高、放氢速率缓慢的问题，严重制约了其在车载氢源上的应用。因此，认识它们的放氢机理并调控放氢的热力学和动力学是储氢材料领域十分关注的问题。
在本专题中，来自中南大学的杜勇教授（通讯作者）等人提出基于第一性原理计算在缺陷相关性质中的重要作用，或有助于从原子层面理解放氢过程的细节，并从点缺陷角度理解储氢材料的放氢过程和机理。
当我们研究科学、工程和社会中的复杂系统时，一般总是先了解其宏（系统）尺度行为，然后再逐步深入其微（单元）尺度的机制，并逐步试图建立这两者之间的关联。然而，直接建立这种关联是十分困难的，原因似乎是在这两者之间缺少了什么共同的原理。研究逐步表明，在介于单元尺度和系统尺度之间的介尺度上可能存在一个普适的主导原理，即：不同控制机制在竞争中的协调。为此，提出了介科学这一跨学科的概念。
在本专题中，来自中国科学院过程工程研究所的李静海研究员（通讯作者）等人根据课题组三十余年的研究成果，对介科学产生的背景、面临的挑战和机遇进行了简要而深刻的介绍。
近年来，金属-空气电池和燃料电池等储能器件，作为非常重要的清洁、环保的新能源技术得到了国际社会的高度关注，但其过高的过电位导致了能源转化效率低、副反应严重等问题，极大制约了实际应用。因此，筛选合适的催化剂来降低过电位，对此类新能源技术至关重要。但实验的方法在表征界面催化能力方面存在难度，以第一原理计算为代表的理论研究，通过对电子结构的细致描述，选取合适的理论筛选因子，揭示界面催化机制，为实验筛选高活性催化剂提供了有力指导。
在本专题中，来自南方科技大学的张文清教授和中国科学院上海硅酸盐研究所的刘建军研究员（共同通讯作者）等人基于新能源技术中电催化反应现状，对描述新能源技术中电催化反应活性的理论计算筛选因子进行了简要综述。
提到材料，我们的脑海中会浮现一些图片。比如具有精细纳米结构和特殊物理化学性质的功能材料，金属和水泥等结构材料。然而，我们可能有时会忽略材料的构建形式。实际上，日常生活中的玻璃、铁、煤炭、水泥和其他许多材料都是粒状/颗粒材料。本文就是对澳大利亚莫纳什大学教授、颗粒科学与技术及过程工程专家余艾冰的采访，余教授对颗粒体系的计算机模拟与仿真研究做了细致介绍，并提出了一些对颗粒科学与技术领域的展望，最后对国内研究现状作了简要评价，并对投身于材料计算模拟的年轻科学家提出了建议。
本文由National Science Review（《国家科学评论》）编辑部供稿，材料牛整理编辑。
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