Molecular Simulation Studies in Material and Biological Sciences pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Nova Science Pub Inc

作者:Kholmurodov, Kholmirzo (EDT)

出品人:

页数:196

译者:

出版时间:

价格:1660.00 元

装帧:HRD

isbn号码:9781594546075

丛书系列:

图书标签:

• Molecular Simulation
• Materials Science
• Biological Sciences
• Computational Chemistry
• Molecular Dynamics
• Monte Carlo
• Biophysics
• Drug Discovery
• Protein Folding
• Nanomaterials

《量子化学与计算材料设计》 内容简介 本书是一部面向高年级本科生、研究生以及从事计算化学、材料科学、药物设计领域研究人员的专业教材与参考书。全书以深入浅出的方式，系统阐述了现代量子化学计算方法在预测材料性质、指导新物质设计中的核心原理、技术细节及其在实际问题中的应用。 第一部分：量子化学基础与计算方法 本书的开篇部分旨在为读者打下坚实的理论基础。我们从薛定谔方程及其在多电子体系中的应用讲起，详细介绍了精确求解量子力学方程的困难性，并由此引出近似方法的必要性。 原子和分子轨道理论的深化： 详细阐述了分子轨道理论（MO Theory）的构建过程，包括基组的选择与扩展（如STO、GTO、Pople集合等）对计算精度和效率的影响。特别关注了不可约韦尔-斯莱特定理（Slater's Rules）在简化计算中的作用。 Hartree-Fock (HF) 方法的精讲： 深入分析了平均场近似的本质，以及自洽场（SCF）迭代过程的收敛性问题与稳定性分析。我们不仅探讨了闭壳层（RHF）方法，还细致讲解了开壳层（UHF）方法及其在处理自旋污染问题上的挑战与解决策略。 电子关联的引入： 明确指出HF方法对电子关联能描述的不足，并系统介绍了主要的后HF（Post-HF）方法。 微扰理论（MPn）： 详细推导了二阶微扰理论（MP2）的能量表达式，并讨论了其计算成本与相对精度的平衡点。对高阶微扰（MP3、MP4）的适用范围进行了比较。 组态相互作用（CI）： 阐述了如何通过激发态来描述电子关联，重点分析了完全组态相互作用（FCI）作为理论极限的意义，并对比了截断CI（CISD）在计算可行性上的优势与在非必要激发态描述上的局限。 耦合簇理论（CC）： 这一部分是本书的重点之一。我们详细介绍了指数算符的结构，并系统讲解了CC的各种层次（CCSD, CCSDT等），强调其在精度上超越MPn和CI的根本原因——对高阶关联效应的有效处理。 第二部分：密度泛函理论（DFT）的现代视角 密度泛函理论因其计算效率和相对准确性，已成为材料科学和化学计算中的主流方法。本书用大量篇幅来解析DFT的理论核心与实践细节。 基础原理与 Hohenberg-Kohn 定理： 深入剖析了泛函理论的数学基础，重点阐述了能量可以通过电子密度而非波函数来表征的革命性意义。 交换-关联泛函的演进： 详细分类和评估了现有泛函的性能： LDA与GGA： 阐述了局域密度近似（LDA）和广义梯度近似（GGA）的物理图像，并分析了它们在描述键能和固态能带结构时的系统性误差。 后GGA与混合泛函： 重点介绍了Meta-GGA（如TPSS）以及引入Hartree-Fock交换的混合泛函（如B3LYP, PBE0）在平衡精度与效率方面的贡献。 长程修正与范德华力： 针对DFT在长程相互作用（如分子间作用力、固体表面吸附）描述上的不足，系统介绍了DFT-D3、vdW-DF等修正方法的原理和实施细节。 泛函选择的艺术： 提供了基于具体科学问题的泛函筛选指南，例如，在半导体能隙计算、过渡金属络合物、反应过渡态搜索中的最佳实践。 第三部分：计算方法在材料科学中的应用 本部分将理论与实践紧密结合，展示了量子化学计算在现代材料研究中的关键作用。 固体物理与能带结构计算： 周期性边界条件与晶格描述： 讲解了Kohn-Sham方程在晶体中的周期性处理，Bloch定理的应用，以及倒易空间的积分（K点采样策略）。 材料性质预测： 如何利用计算结果（如态密度DOS、费米面结构）来预测材料的导电性、光吸收特性和结构稳定性。对绝缘体-金属转变的模拟进行了案例分析。 分子动力学（MD）与混合方法： 从量子到经典： 阐述了如何利用量子化学计算（如AIMD）进行势函数的构建和验证，对比了Born-Oppenheimer MD与经典力场MD的适用范围。 缺陷工程与扩散研究： 展示了如何通过计算模拟来精确确定晶格缺陷的形成能、迁移势垒，从而指导新材料的掺杂和热力学优化。 光谱模拟与性质预测： 详细介绍了计算预测各种光谱信号的方法： 振动光谱（IR/Raman）： 基于频率和偶极矩导数的计算方法。 电子光谱（UV-Vis/XPS）： 结合激发态方法（TD-DFT/EOM-CC）和核心电子跃迁计算，预测材料的颜色和表面化学环境。 第四部分：高效计算策略与软件实践 本书的最后一部分侧重于计算化学工程师和研究人员必须掌握的实际操作技能。 计算效率与资源管理： 讨论了并行计算（MPI/OpenMP）在分子和固体计算中的应用，计算任务的分解策略，以及内存和I/O瓶颈的优化。 流程自动化与工作流构建： 介绍了脚本语言（如Python）在自动化高通量计算、参数扫描、数据后处理中的集成应用，以及如何利用集群资源进行有效的模拟调度。 误差分析与结果验证： 强调科学计算的严谨性，包括系统误差的评估、收敛性测试（基组依赖性、K点依赖性）以及如何将计算结果与实验数据进行合理对照和解释，避免过度拟合。 本书的特点在于理论的深度和应用的广度并重，旨在培养读者不仅能“使用”量子化学软件，更能“理解”其背后的物理和数学限制，从而设计出更具洞察力的计算方案，推动材料科学和化学研究的创新。

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