——上海交通大学材料学院韩秀君特别研究员

本刊记者　刘玉杰

　　
　　材料科学——使人们正越来越向微观世界深入，认识、改造世界的水平提高到前所未有的高度。
　　计算机科学——满足信息时代信息爆炸性增长的需要，是探索未知世界的工具。
　　当计算机科学和材料科学结合在一起时，将发挥更大威力改变人类的生活。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。
　　2011年6月24日美国总统奥巴马提出了超过5亿美元的“先进制造业伙伴关系”。作为其子计划，“材料基因组计划”的实质是在已有数据的基础上通过计算机模拟和优化大大提高实验效率，从而将新材料的研发和应用速度从目前的10-20年缩短为5-10年。材料基因组计划充分体现了计算材料学在科技创新中的重要作用。
　　韩秀君博士2009年9月从德国留学归国，以特别研究员身份加入上海交通大学材料学院，开始带领科研团队长期从事计算材料学方面的研究，为我国该领域的发展做出了重要的贡献。
　　
瞄准国家重大需求
　　
　　韩秀君特别研究员1997年山东大学材料科学与工程学院毕业，2002年在西北工业大学应用物理系获工学博士学位，师从魏炳波院士。2002-2004年在清华大学工程力学系做博士后研究，合作导师是过增元院士。
　　2005年，他获德国洪堡（AVH）研究基金资助，以AVH研究员身份在德国哥廷根大学材料物理系计算材料学方面从事科研工作，与合作教授Helmar Teichler共同完成了液态-非晶态动力学转变过程的分子动力学模拟项目。
　　研究中，他们基于Hausleitner 和Hafner 的近自由电子-紧束缚混合模型，建立了Cu-Ti-Zr三元合金原子间势函数。在建立势函数的基础上，利用分子动力学模拟从原子层次上对Cu60Ti20Zr20非晶合金的结构以及液态-非晶态动力学转变过程进行了深入研究。发现Cu60Ti20Zr20非晶合金具有中程有序结构，解释了这种特殊结构与原子间相互作用的关系。对广泛应用于描述非晶动力学转变过程的模式耦合(MCT)理论在描述多元非晶体系动力学转变的合理性进行了评估，发现MCT理论不能准确描述β－驰豫过程初期体系的动力学。根据非相干中间散射函数的Laplace 变化，在不使用近似的情况下精确计算了体系的动力学记忆内核(Memory Kernel)；通过比较由Laplace变化精确计算和在近似基础上MCT理论预测的动力学记忆内核，明确了MCT理论在描述β-驰豫初期失败的原因是忽略了原子的振动。提出了一种根据体系特征参数λ及非相关散射函数平台值在MCT临界温度Tc附近重现动力学记忆内核的简便方法。
　　目前，大块非晶合金的制备和表征已经取得了重大进展，然而人们对于晶体-非晶动力学转变微观过程并不明确。该研究对于阐述多组元大块非晶合金的动力学转变过程具有重要的科学意义，同时有利于丰富材料科学关于液态/非晶态动力学转变的理论描述。
　　该工作得到世界著名的德国洪堡研究基金资助，并引起了很多研究小组的关注，曾在德国宇航院、德国哥廷根大学、德国于利希研究中心和德国明斯特大学做过学术报告，并在日本东北大学召开的非晶转变第一届国际研讨会上做过特邀报告。
　　
领航发展　开拓创新
　　
　　在西北工业大学应用物理系攻读博士学位期间,韩秀君特别研究员就在魏炳波院士的指导下对亚稳熔体的热物理性质进行了实验测定。实现了高频电磁环境中微弱液滴振荡信号的采集与处理，利用电磁悬浮技术与液滴振荡法相结合，在国内首次实现了深过冷液态金属表面张力的实验测定，首次定量测定了深过冷液态Co和Co-Mo合金的表面张力，并用Butler方程对表面张力进行了计算；利用电磁悬浮技术与落滴式量热方法相结合，首次定量测定了深过冷液态Co-Mo合金的比热。研究了热物性参数对晶体形核和枝晶生长理论计算的影响，发现测定热物性参数对于定量描述晶体枝晶生长速度具有重要意义。
　　为了更进一步理解亚稳液态金属的性质，在清华大学工程力学系从事博士后研究期间与过增元院士和陈民教授合作利用分子动力学模拟对液态金属的热物理性质、结构以及二者之间的关系进行了研究。获得了纯金属Co、Cu以及Au-Cu和Ti-Al合金深过冷状态下热物性和微观结构数据。
　　在德国于利希研究中心固体物理所工作期间，他与Schober博士进一步对液态金属热物理性质、结构和动力学状态的耦合规律进行了研究。对液态CuZr2 合金的输运性质及Stokes-Einstein（SE）方程进行了分子动力学模拟。
　　基于体系自扩散系数和粘度的计算，他们对SE方程的合理性进行了研究。研究更新了人们对于SE方程在Tc 温度开始失效的传统认识，发现了SE 方程在远高于Tc，甚至高于熔点温度失效的特殊现象。提出了利用自扩散系数发散(diverging)现象预测SE方程失效温度的定量判据。利用其它学者关于SE方程的研究结果对该定量判据的普适性进行了验证。结果表明，该定量判据具有较好的普适性。揭示了SE方程失效的根本原因是动力学状态各向异性的快速增大。
　　
重点跨越　引领未来
　　
　　2007年德国于利希研究中心固体物理所承担了西门子公司的一项课题——“构建高精度原子间相互作用势函数以预测氧化物陶瓷的热导率”。韩秀君特别研究员与Dederichs教授合作，采用第一性原理与“力匹配法”相结合的方法建立了TiO2的原子间相互作用势函数。对TiO2晶体结构、状态方程、声子谱、热膨胀系数、熵、自由能以及等容比热的计算表明，建立的势函数能够很好的描述rutile结构TiO2，其准确性较之过去广泛使用的Matsui-Akaogi(MA)势函数得到了很大提高，建立的势函数亦能够较好描述Anatase 和Brookite 两种结构的TiO2。
　　原子间相互作用势函数是分子动力学模拟的前提与关键，是计算材料学在原子层次上无法回避的难点。原子间相互作用势函数的构建非常冗繁复杂。发展高精度的势函数对于计算材料学这一新兴学科的发展具有重要的推动作用。建立的高精度TiO2势函数可以应用于TiO2块体、表面、纳米晶和纳米线等相关问题的研究，这对于TiO2催化和光学等性能的研究具有重要的意义。
　　该工作的创新点是在势函数构建过程中引入了极化和偶极矩，由此得到的势函数能够比较准确的描述TiO2的声子色散曲线，在高频区其准确度可以比拟实验和第一性原理计算，而目前广泛采用的MA势函数在高频区不能合理描述振动性能。
　　
“授人以鱼，不如授之以渔”
　　
　　爱因斯坦说：“使学生对教师尊敬的唯一源泉在于教师的德和才。”
　　这也正是韩秀君的“育人经”。在学生的眼中，他学高为师，博学强识，令人折服；而更重要的，他身正为范，以身作则，苛于自律。
　　网络上有很多开源的代码，这些代码使用起来往往比较简单。有人把这些代码直接当做“黑匣子”使用，而根本不了解代码背后涉及的计算方法与原理。因此，韩秀君要求学生在透彻理解计算方法与原理之前不要使用这种现成的代码。在研究生入学的第一个学期需要上《计算材料学》这门课程，在课程中他会详细讲述计算模拟的基本原理与方法，如第一性原理和分子动力学模拟，并要求学生自己编写一个完整的计算模拟程序并实现基本物理量的计算。夯实学生的科研基础对于学生以后的科研道路非常关键。
　　对国家“科教兴国”、“人才立国”的国策，他觉得受益匪浅；对一路上引导自己、帮助自己的师友，他一直心存感激，并且怀着这份感激去培养学生。不拔苗助长，不急于求成，夯实学生的研究基础。在学生的培养中，韩秀君特别研究员注重传授他们解决问题的思路，培养他们独立解决问题的能力，而不仅局限于解决问题本身。“授人以鱼，不如授之以渔”。
　　2012年，韩秀君特别研究员入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。辉煌的背后往往是默默的付出与不懈的努力，在计算材料学技术领域不断耕耘，韩秀君取得一系列令人瞩目的成果，而他却总是把成绩谦逊地归因于自己“赶上了一个好时代”。