開源相場助力能源材料新發現

在現代材料科學領域，計算材料學已經成為不可或缺的一部分。隨著計算材料科學朝著大尺度、複雜化、高通量的方向發展，開發出集成度高、運算速度快的軟體已經迫在眉睫了。在碼農的世界裡，「開源」對應的不是「節流」，而是「分布式開發」。開源軟體的開發可以很大程度上解決可重複性的問題，打破計算材料學的技術和資金壁壘，避免「卡脖子」的問題，受到計算材料學領域的廣泛關注。相較於第一性原理和分子動力學等計算材料界的「前輩」，相場模擬經過 20 餘年的「乘風破浪」的發展，雖然略顯小眾卻也風景這邊獨好。在相場模擬領域，「開源軟體」的現狀如何？未來又將如何發展？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展

近日，浙江大學材料學院洪子健研究員聯合卡內基梅隴大學副教授Venkat Viswanathan在ACS Energy Letters上以「Open-Sourcing Phase-Field Simulations for Accelerating Energy Materials Design and Optimization」為標題發表觀點性論文，詳細論述了開源相場領域的前世今生，特別是開源相場在助力新能源材料的設計和發現領域的未來方向。

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，並列舉了相場模擬在材料科學領域的一些具體的應用實例。研究發現，近 20 年來，相場領域突飛猛進，相關的 SCI 文獻已經達到年均 1000 篇的水平，但是，開源相場領域尚處於萌芽階段，目前每年僅有十篇左右，具有很大發展的前景和空間。

相場模擬的尺度，在材料設計領域的應用和目前發展的現狀

接著文章概述了當前具備相場模擬功能的 7 大開源軟體。它們大多由國家實驗室或者高校開發，也有部分是多個單位聯合開發。這些軟體都是由 C++或者 Python 寫成，也有部分軟體有 C 和 Python 兩個版本。研究發現，大部分軟體的開發者非常活躍，更新的頻率較高，有著較好的軟體使用說明和官方主頁。但是，僅有約一半的軟體有自己的用戶群組，另外只有 3 個舉辦過用戶會議。這些都是目前開源軟體亟待完善的方面。而在用戶群組中，有幾個軟體的年均帖子數已經達到上千個，顯示出較好的開發者和用戶之間的互動和協作。而在對這些軟體 Github 的統計數據研究發現，這些軟體的分叉數已經從數十到數百，體現了這些開源軟體的活躍度。

基於上述研究，開源相場現有的群體已經顯示出較為良好的發展態勢，未來的發展也是很值得期待。文章更進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、蒙特卡洛、相圖計算、機器學習等現代計算方法，並且各種計算方式都使用開源軟體。使用傳統的付費軟體，一個組要開發出多種計算模式所需要的技術經驗和資金不菲，而這種全開源的計算框架可以由不同領域的專家「分布式」開發，很好的揚長避短，而整個計算材料群體都能享受這種開發帶來的成果，大幅節約人力、資金等成本。

在文章的最後，作者也是鼓勵和希望整個相場計算領域朝著開源開放的方向發展，在開源中擴大整個相場計算群體的規模，降低領域新人的技術壁壘，促進相場計算在能源材料開發等領域的應用。在此處改編一句畢卡索的名言：「好的科學家寫程序，而頂尖的科學家在用別人的程序」。

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材料學院洪子健研究員和卡內基梅隴大學 Venkat Viswanathan 副教授。

洪子健研究員個人網站：

https://person.zju.edu.cn/0020081

文章連結：

Z. Hong, V. Viswanathan, ACS Energy Lett. 5, XXX, 3254–3259 (2020).

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c01904

招聘信息：

浙江大學材料學院洪子健研究員長期從事相場模擬等方面的計算，目前擬招聘一名碩士生和一名博士後以及一名科研助理，應聘者請將簡歷發送至:[e-mail].