开源相场领域的前世今生

在现代材料科学领域，计算材料学已经成为不可或缺的一部分。随着计算材料科学朝着大尺度、复杂化、高通量的方向发展，开发出集成度高、运算速度快的软件已经迫在眉睫了。在码农的世界里，“开源”对应的不是“节流”，而是“分布式开发”。开源软件的开发可以很大程度上解决可重复性的问题，打破计算材料学的技术和资金壁垒，避免“卡脖子”的问题，受到计算材料学领域的广泛关注。相较于第一性原理和分子动力学等计算材料界的“前辈”，相场模拟经过 20 余年的“乘风破浪”的发展，虽然略显小众却也风景这边独好。在相场模拟领域，“开源软件”的现状如何？未来又将如何发展？且听本文作者为您慢慢道来。

相场模拟朝着开源开放的未来发展   近日，浙江大学材料学院洪子健研究员联合卡内基梅陇大学副教授Venkat Viswanathan在ACS Energy Letters上以“Open-Sourcing Phase-Field Simulations for Accelerating Energy Materials Design and Optimization”为标题发表观点性论文，详细论述了开源相场领域的前世今生，特别是开源相场在助力新能源材料的设计和发现领域的未来方向。  

  文章首先简要的阐述了相场模拟的原理，在整个计算材料光谱中的位置，并列举了相场模拟在材料科学领域的一些具体的应用实例。研究发现，近 20 年来，相场领域突飞猛进，相关的 SCI 文献已经达到年均 1000 篇的水平，但是，开源相场领域尚处于萌芽阶段，目前每年仅有十篇左右，具有很大发展的前景和空间。  

相场模拟的尺度，在材料设计领域的应用和目前发展的现状   接着文章概述了当前具备相场模拟功能的 7 大开源软件。它们大多由国家实验室或者高校开发，也有部分是多个单位联合开发。这些软件都是由 C++或者 Python 写成，也有部分软件有 C 和 Python 两个版本。研究发现，大部分软件的开发者非常活跃，更新的频率较高，有着较好的软件使用说明和官方主页。但是，仅有约一半的软件有自己的用户群组，另外只有 3 个举办过用户会议。这些都是目前开源软件亟待完善的方面。而在用户群组中，有几个软件的年均帖子数已经达到上千个，显示出较好的开发者和用户之间的互动和协作。而在对这些软件 Github 的统计数据研究发现，这些软件的分叉数已经从数十到数百，体现了这些开源软件的活跃度。   基于上述研究，开源相场现有的群体已经显示出较为良好的发展态势，未来的发展也是很值得期待。文章更进一步的提出了开源的多尺度模拟框架，该框架集成了多种模拟方法如第一性原理、分子动力学、蒙特卡洛、相图计算、机器学习等现代计算方法，并且各种计算方式都使用开源软件。使用传统的付费软件，一个组要开发出多种计算模式所需要的技术经验和资金不菲，而这种全开源的计算框架可以由不同领域的专家“分布式”开发，很好的扬长避短，而整个计算材料群体都能享受这种开发带来的成果，大幅节约人力、资金等成本。   在文章的最后，作者也是鼓励和希望整个相场计算领域朝着开源开放的方向发展，在开源中扩大整个相场计算群体的规模，降低领域新人的技术壁垒，促进相场计算在能源材料开发等领域的应用。在此处改编一句毕加索的名言：“好的科学家写程序，而顶尖的科学家在用别人的程序”。  

一个集成的开源的多尺度模拟框架   论文的通讯作者为浙江大学材料学院洪子健研究员和卡内基梅陇大学 Venkat Viswanathan 副教授。

洪子健研究员个人网站：

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

文章链接：

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

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

责任编辑：xj

原文标题：ACS Energy Letters：开源相场助力能源材料新发现

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