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聲子是晶格振動(dòng)的元激發(fā)，是固體中熱輸運(yùn)的主要載體。許多重要的實(shí)際應(yīng)用與器件（如集成電路的散熱、熱障涂層、熱電效應(yīng)、熱二極管、熱三極管等）都需要有效地控制聲子輸運(yùn)，與之相關(guān)的研究構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的一大分支——聲子學(xué)。另一方面，新型拓?fù)淞孔游飸B(tài)的發(fā)現(xiàn)，如量子霍爾效應(yīng)、量子反常霍爾效應(yīng)、量子自旋霍爾效應(yīng)、拓?fù)浣^緣體、拓?fù)浒虢饘俚龋瑥母旧细淖兞巳藗儗﹄娮討B(tài)的認(rèn)識，并對電子學(xué)、自旋電子學(xué)、拓?fù)淞孔佑?jì)算等領(lǐng)域產(chǎn)生了革命性的影響。最新的研究工作將拓?fù)涞奈锢砀拍钜肼曌訉W(xué)，利用Berry相位、拓?fù)涞刃缕娴牧孔幼杂啥龋瑢?shí)現(xiàn)全新的聲子操控，因此誕生了一個(gè)新興的研究領(lǐng)域——拓?fù)渎曌訉W(xué)。在本專題中，來自清華大學(xué)的段文暉院士和徐勇助理教授（共同通訊作者）等人從基礎(chǔ)理論到潛在應(yīng)用，概括了聲子的Berry相和拓?fù)湫?yīng)的最新研究進(jìn)展。

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晶格固體拓?fù)洳牧习ǎ和負(fù)浣^緣體（TIs）、拓?fù)渚w絕緣體（TCIs）、拓?fù)涞依税虢饘伲―SMs）、拓?fù)渫鉅柊虢饘伲╓SMs）、拓?fù)涞依嘶蛲鉅柟?jié)線半金屬（NLSMs）等等。它們都具有受拓?fù)浔Ｗo(hù)的重要表面態(tài)等特征。因?yàn)橥負(fù)洳牧显谧孕娮訉W(xué)、量子計(jì)算機(jī)以及新物理等領(lǐng)域的應(yīng)用前景巨大，近年來，研究人員對它們進(jìn)行了大量而深入的研究。目前，具有特殊性質(zhì)的拓?fù)洳牧系脑O(shè)計(jì)，還是嚴(yán)重依賴傳統(tǒng)的試錯(cuò)法。在本專題中，來自中國科學(xué)院金屬研究所的陳星秋研究員介紹了用于拓?fù)洳牧显O(shè)計(jì)的高通量計(jì)算方法的相關(guān)情況。

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陳星秋

文獻(xiàn)鏈接：Xing-Qiu Chen.?Boosting the discovery of 3D topological materials: mixing chemistry with physics via a two-step computational screening strategy,?Natl Sci Rev?(2018) 5 (3): 316–318. DOI: 10.1093/nsr/nwx053

面對石油資源日漸匱乏和生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化的雙重壓力，利用氫能這一清潔能源取代以化石燃料為基礎(chǔ)的現(xiàn)有能源已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)。就目前氫能發(fā)展的現(xiàn)狀而言，高效的儲氫方式及儲氫材料的研發(fā)是實(shí)現(xiàn)氫能經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵和瓶頸。在儲氫家族中，有一系列由輕元素B、N、Li、Na、Al、Mg、Ca等與H構(gòu)成的三維固態(tài)化合物，如NaAlH₄、LiNH₂、LiBH₄, Li₄BN₃H₁₀、MgH₂、AlH₃、氨硼烷(NH₃BH₃)等。它們具有較高的氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氫體積分?jǐn)?shù)，但存在放氫溫度偏高、放氫速率緩慢的問題，嚴(yán)重制約了其在車載氫源上的應(yīng)用。因此，認(rèn)識它們的放氫機(jī)理并調(diào)控放氫的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)是儲氫材料領(lǐng)域十分關(guān)注的問題。

在本專題中，來自中南大學(xué)的杜勇教授（通訊作者）等人提出基于第一性原理計(jì)算在缺陷相關(guān)性質(zhì)中的重要作用，或有助于從原子層面理解放氫過程的細(xì)節(jié)，并從點(diǎn)缺陷角度理解儲氫材料的放氫過程和機(jī)理。

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當(dāng)我們研究科學(xué)、工程和社會(huì)中的復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，一般總是先了解其宏（系統(tǒng)）尺度行為，然后再逐步深入其微（單元）尺度的機(jī)制，并逐步試圖建立這兩者之間的關(guān)聯(lián)。然而，直接建立這種關(guān)聯(lián)是十分困難的，原因似乎是在這兩者之間缺少了什么共同的原理。研究逐步表明，在介于單元尺度和系統(tǒng)尺度之間的介尺度上可能存在一個(gè)普適的主導(dǎo)原理，即：不同控制機(jī)制在競爭中的協(xié)調(diào)。為此，提出了介科學(xué)這一跨學(xué)科的概念。

在本專題中，來自中國科學(xué)院過程工程研究所的李靜海研究員（通訊作者）等人根據(jù)課題組三十余年的研究成果，對介科學(xué)產(chǎn)生的背景、面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇進(jìn)行了簡要而深刻的介紹。

提到材料，我們的腦海中會(huì)浮現(xiàn)一些圖片。比如具有精細(xì)納米結(jié)構(gòu)和特殊物理化學(xué)性質(zhì)的功能材料，金屬和水泥等結(jié)構(gòu)材料。然而，我們可能有時(shí)會(huì)忽略材料的構(gòu)建形式。實(shí)際上，日常生活中的玻璃、鐵、煤炭、水泥和其他許多材料都是粒狀/顆粒材料。本文就是對澳大利亞莫納什大學(xué)教授、顆粒科學(xué)與技術(shù)及過程工程專家余艾冰的采訪，余教授對顆粒體系的計(jì)算機(jī)模擬與仿真研究做了細(xì)致介紹，并提出了一些對顆粒科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的展望，最后對國內(nèi)研究現(xiàn)狀作了簡要評價(jià)，并對投身于材料計(jì)算模擬的年輕科學(xué)家提出了建議。

余艾冰

文獻(xiàn)鏈接：Weijie Zhao.?Computation as a powerful tool for understanding particle systems: an interview with Aibing Yu,?Natl Sci Rev?(2018) 5 (3): 342–345. DOI: 10.1093/nsr/nwy001

本文轉(zhuǎn)載自National Science Review（《國家科學(xué)評論》）編輯部，點(diǎn)擊文末“閱讀原文”進(jìn)入National Science Review官網(wǎng)，了解更多期刊精彩內(nèi)容！