计算矿物学

计算矿物学属于一门交叉学科，其建立和发展依赖于物理学和计算机学的进步。不同于实验矿物学从测试结论反推理论模型，计算矿物学可根据已知矿物模型计算理论模型的**理论值，或预研推测未知模型及其相应参数。目前，国内外计算矿物学的相关论文很多，但其发展仍滞后于实验矿物学。考虑到矿物学、地质学和地球物理化学等相关从业人员的物理学和计算机知识背景，本书对计算矿物学中三类模拟尺度（纳观-微观、微观-介观和介观-宏观）的主流模拟技术进行评述，弱化物理学理论叙述、公式推导和程序编写等内容，重点归纳多尺度理论模拟方法的基本思想、原理和数据分析方法，并列举部分实例进行说明。

第1章 矿物学 1
1.1 矿物学概述 1
1.1.1 起源与发展 1
1.1.2 分支学科 3
1.2 矿物概述 5
1.2.1 矿物命名 5
1.2.2 天然矿物分类 6
1.2.3 应用矿物分类 9
1.3 矿物学应用领域 11
1.3.1 光学矿物材料应用 11
1.3.2 电学矿物材料应用 12
1.3.3 热学矿物材料应用 13
1.3.4 力学矿物材料应用 14
1.3.5 磁学矿物材料应用 14
1.3.6 核科学矿物材料应用 14
1.3.7 宝石 15
1.3.8 环保 15
1.3.9 农业矿物 16
1.3.10 药用矿物 17
1.4 矿物学实验研究方法 17
1.4.1 粒度和孔道测试 17
1.4.2 形貌测试 18
1.4.3 结构测试 21
1.4.4 结合键测试 23
1.4.5 元素测试 26
1.4.6 自由基测试 30
1.4.7 热学测试 31
1.4.8 光学测试 32
1.4.9 电学测试 35
1.4.10 磁学测试 37
1.4.11 力学测试 38
参考文献 39
第2章 计算方法概述 42
2.1 计算研究的起源、发展与现状 42
2.2 计算方法分类 44
2.3 密度泛函理论的起源和发展概述 45
2.4 密度泛函理论模拟的基本思想 50
2.4.1 经典理论 50
2.4.2 Hohenberg-Kohn定理 50
2.4.3 Kohn-Sham方程 51
2.4.4 交换关联相关项 51
2.4.5 紧束缚近似 53
2.5 分子动力学的起源和发展概述 53
2.6 分子动力学模拟的基本思想 55
2.6.1 经典理论 55
2.6.2 初始体系的设置 55
2.6.3 力的计算方法 56
2.6.4 运动方程数值求解 58
2.6.5 势函数(力场)的适用性 59
2.6.6 系综原理 60
2.6.7 CPMD方法简介 62
2.7 蒙特卡罗法的起源和发展概述 63
2.8 蒙特卡罗模拟的基本思想 64
2.8.1 经典理论 64
2.8.2 随机行走 66
2.8.3 统计物理思想 66
2.8.4 权重蒙特卡罗积分法 67
2.8.5 能量模型 69
2.9 过渡态理论的起源和发展概述 70
2.10 过渡态理论的基本思想 71
2.10.1 经典理论 71
2.10.2 过渡态理论 72
2.10.3 变分过渡态理论 74
2.10.4 微正则变分过渡态理论 75
2.11 微观-介观尺度动力学模拟概述 76
2.12 粗粒化分子动力学 78
2.12.1 经典理论 78
2.12.2 方法分类 79
2.13 耗散粒子动力学 80
2.13.1 经典理论 80
2.13.2 方法分类 81
2.14 元胞自动机 83
2.14.1 经典理论 83
2.14.2 方法分类 84
2.15 介观-宏观尺度的模拟概述 85
2.16 有限元理论 85
2.16.1 有限元理论的起源和发展概述 85
2.16.2 有限元理论的基本思想 87
2.16.3 有限差分法 89
2.16.4 方法分类 89
2.17 人工神经网络技术 90
2.17.1 人工神经网络技术的起源和发展概述 90
2.17.2 人工神经网络技术的基本思想 91
2.17.3 方法分类 91
参考文献 92
第3章 矿物晶格结构的模拟 97
3.1 矿物晶格的能量 97
3.2 矿物晶格的动力学静态性能 98
3.2.1 温度影响 98
3.2.2 能量影响 99
3.2.3 压力影响 100
3.3 矿物晶格的动力学径向分布函数和静态结构因子 100
3.3.1 径向分布函数 100
3.3.2 静态结构因子 101
3.4 矿物晶格赋存元素模拟的经典蒙特卡罗法 101
3.4.1 附着位置和附着能 101
3.4.2 温度和压力影响平均附着量 103
3.4.3 矿物晶格赋存元素的模拟实例 103
参考文献 106
第4章 矿物晶格的光电特性模拟 108
4.1 矿物晶格的电子转移过程 108
4.1.1 Mulliken布居分布 108
4.1.2 前线轨道 109
4.1.3 电子能级和有效电子/空穴 110
4.1.4 能态密度 111
4.2 矿物晶格的光电特性 113
4.2.1 能隙和吸收波长的关系 113
4.2.2 介质折射指数 114
4.3 矿物晶格光电特性的模拟实例 115
参考文献 118
第5章 矿物晶格内的物质传输模拟 121
5.1 矿物晶格分子动力学的动态性能 121
5.1.1 关联函数 121
5.1.2 输运性质 121
5.2 矿物晶格内小分子的扩散 122
5.2.1 矿物晶格内的自由体积 122
5.2.2 经典的爱因斯坦扩散 123
5.2.3 非爱因斯坦扩散 124
5.3 往返式扩散数据分析方法 125
5.3.1 聚类法分析小分子的扩散系数 125
5.3.2 扩散率与渗透率的拟合法 125
5.3.3 自由体积赋存小分子的扩散与聚类分析模拟实例 126
参考文献 130
第6章 矿物-小分子的表面化学反应和界面电子转移 132
6.1 矿物表/界面模拟方法简介 132
6.2 矿物表面赋存小分子的模拟 133
6.2.1 矿物表面的建模方法 133
6.2.2 矿物表面赋存离子或小分子的建模方法 134
6.2.3 矿物表面赋存小分子的模拟方法 135
6.3 矿物表面赋存小分子的模拟实例 137
6.3.1 矿物表面赋存多肽小分子电子转移的MD模拟实例 137
6.3.2 矿物表面赋存多肽小分子电子转移的GCMC-MD-DFT模拟实例 140
6.3.3 矿物表面赋存有机小分子的TST-DFT模拟实例 143
6.3.4 矿物表面赋存有机小分子的MD-DFT-2D-CA模拟实例 146
6.4 矿物界面赋存小分子的建模 149
6.4.1 无机复合矿物界面的建模方法 149
6.4.2 矿物-小分子界面的建模方法 150
6.4.3 矿物界面建模实例 151
6.5 多尺度模拟联用技术在矿物界面电子转移过程中的应用 153
6.5.1 矿物界面电子转移过程的GCMC-MD-DFT模拟实例 153
6.5.2 矿物界面赋存小分子电子转移过程的GCMC-MD-DFT模拟 156
6.5.3 矿物层间赋存小分子电子转移过程的GCMC-MD-DFT模拟 164
参考文献 167
第7章 矿物溶解、结晶和生长过程的模拟 170
7.1 矿物表面溶质的分布模拟 170
7.1.1 矿物表面溶质的概率分布与表界面偏析 170
7.1.2 矿物表面溶质的动态概率分布 171
7.1.3 矿物赋存溶质的概率分布模拟实例 171
7.2 矿物溶解与有机小分子诱导相变作用的模拟 174
7.2.1 有机小分子溶解矿物过程的模拟 174
7.2.2 有机小分子团簇表面矿物分子的GCMC-MD-DFT模拟实例 175
7.2.3 细菌代谢有机小分子浸出矿物内稀土元素的模拟与实验实例 180
7.3 矿物溶解与微量元素诱导相变作用的模拟 183
7.3.1 能态密度的定量分析方法：二维相关数据分析法 183
7.3.2 微量元素诱导矿物相变过程实例 186
7.3.3 微量元素迁移诱导矿物相变过程实例 191
7.4 矿物溶解的动力学和静力学 194
7.4.1 矿物颗粒聚集和流动过程的耗散粒子动力学模拟 194
7.4.2 矿物孔隙内的小分子流动和矿物溶解模拟 195
7.4.3 矿物静力学和动力学模拟 196
7.5 矿物结晶-生长过程和宏观数据模拟 196
7.5.1 矿物结晶过程的粗粒化模拟 196
7.5.2 矿物生长的元胞自动机模拟 197
7.5.3 宏观数据的人工神经网络技术模拟 197
参考文献 198
附录 201