計(jì)算礦物學(xué)屬于一門(mén)交叉學(xué)科，其建立和發(fā)展依賴于物理學(xué)和計(jì)算機(jī)學(xué)的進(jìn)步。不同于實(shí)驗(yàn)礦物學(xué)從測(cè)試結(jié)論反推理論模型，計(jì)算礦物學(xué)可根據(jù)已知礦物模型計(jì)算理論模型的理論值，或預(yù)研推測(cè)未知模型及其相應(yīng)參數(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外計(jì)算礦物學(xué)的相關(guān)論文很多，但其發(fā)展仍滯后于實(shí)驗(yàn)礦物學(xué)�？紤]到礦物學(xué)、地質(zhì)學(xué)和地球物理化學(xué)等相關(guān)從業(yè)人員的物理學(xué)和計(jì)算機(jī)知識(shí)背景，《計(jì)算礦物學(xué)》對(duì)計(jì)算礦物學(xué)中三類(lèi)模擬尺度（納觀-微觀、微觀-介觀和介觀-宏觀）的主流模擬技術(shù)進(jìn)行評(píng)述，弱化物理學(xué)理論敘述、公式推導(dǎo)和程序編寫(xiě)等內(nèi)容，重點(diǎn)歸納多尺度理論模擬方法的基本思想、原理和數(shù)據(jù)分析方法，并列舉部分實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。
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目錄
第1章 礦物學(xué) 1
1.1 礦物學(xué)概述 1
1.1.1 起源與發(fā)展 1
1.1.2 分支學(xué)科 3
1.2 礦物概述 5
1.2.1 礦物命名 5
1.2.2 天然礦物分類(lèi) 6
1.2.3 應(yīng)用礦物分類(lèi) 9
1.3 礦物學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域 11
1.3.1 光學(xué)礦物材料應(yīng)用 11
1.3.2 電學(xué)礦物材料應(yīng)用 12
1.3.3 熱學(xué)礦物材料應(yīng)用 13
1.3.4 力學(xué)礦物材料應(yīng)用 14
1.3.5 磁學(xué)礦物材料應(yīng)用 14
1.3.6 核科學(xué)礦物材料應(yīng)用 14
1.3.7 寶石 15
1.3.8 環(huán)保 15
1.3.9 農(nóng)業(yè)礦物 16
1.3.10 藥用礦物 17
1.4 礦物學(xué)實(shí)驗(yàn)研究方法 17
1.4.1 粒度和孔道測(cè)試 17
1.4.2 形貌測(cè)試 18
1.4.3 結(jié)構(gòu)測(cè)試 21
1.4.4 結(jié)合鍵測(cè)試 23
1.4.5 元素測(cè)試 26
1.4.6 自由基測(cè)試 30
1.4.7 熱學(xué)測(cè)試 31
1.4.8 光學(xué)測(cè)試 32
1.4.9 電學(xué)測(cè)試 35
1.4.10 磁學(xué)測(cè)試 37
1.4.11 力學(xué)測(cè)試 38
參考文獻(xiàn) 39
第2章 計(jì)算方法概述 42
2.1 計(jì)算研究的起源、發(fā)展與現(xiàn)狀 42
2.2 計(jì)算方法分類(lèi) 44
2.3 密度泛函理論的起源和發(fā)展概述 45
2.4 密度泛函理論模擬的基本思想 50
2.4.1 經(jīng)典理論 50
2.4.2 Hohenberg-Kohn定理 50
2.4.3 Kohn-Sham方程 51
2.4.4 交換關(guān)聯(lián)相關(guān)項(xiàng) 51
2.4.5 緊束縛近似 53
2.5 分子動(dòng)力學(xué)的起源和發(fā)展概述 53
2.6 分子動(dòng)力學(xué)模擬的基本思想 55
2.6.1 經(jīng)典理論 55
2.6.2 初始體系的設(shè)置 55
2.6.3 力的計(jì)算方法 56
2.6.4 運(yùn)動(dòng)方程數(shù)值求解 58
2.6.5 勢(shì)函數(shù)(力場(chǎng))的適用性 59
2.6.6 系綜原理 60
2.6.7 CPMD方法簡(jiǎn)介 62
2.7 蒙特卡羅法的起源和發(fā)展概述 63
2.8 蒙特卡羅模擬的基本思想 64
2.8.1 經(jīng)典理論 64
2.8.2 隨機(jī)行走 66
2.8.3 統(tǒng)計(jì)物理思想 66
2.8.4 權(quán)重蒙特卡羅積分法 67
2.8.5 能量模型 69
2.9 過(guò)渡態(tài)理論的起源和發(fā)展概述 70
2.10 過(guò)渡態(tài)理論的基本思想 71
2.10.1 經(jīng)典理論 71
2.10.2 過(guò)渡態(tài)理論 72
2.10.3 變分過(guò)渡態(tài)理論 74
2.10.4 微正則變分過(guò)渡態(tài)理論 75
2.11 微觀-介觀尺度動(dòng)力學(xué)模擬概述 76
2.12 粗�；肿觿�(dòng)力學(xué) 78
2.12.1 經(jīng)典理論 78
2.12.2 方法分類(lèi) 79
2.13 耗散粒子動(dòng)力學(xué) 80
2.13.1 經(jīng)典理論 80
2.13.2 方法分類(lèi) 81
2.14 元胞自動(dòng)機(jī) 83
2.14.1 經(jīng)典理論 83
2.14.2 方法分類(lèi) 84
2.15 介觀-宏觀尺度的模擬概述 85
2.16 有限元理論 85
2.16.1 有限元理論的起源和發(fā)展概述 85
2.16.2 有限元理論的基本思想 87
2.16.3 有限差分法 89
2.16.4 方法分類(lèi) 89
2.17 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 90
2.17.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的起源和發(fā)展概述 90
2.17.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基本思想 91
2.17.3 方法分類(lèi) 91
參考文獻(xiàn) 92
第3章 礦物晶格結(jié)構(gòu)的模擬 97
3.1 礦物晶格的能量 97
3.2 礦物晶格的動(dòng)力學(xué)靜態(tài)性能 98
3.2.1 溫度影響 98
3.2.2 能量影響 99
3.2.3 壓力影響 100
3.3 礦物晶格的動(dòng)力學(xué)徑向分布函數(shù)和靜態(tài)結(jié)構(gòu)因子 100
3.3.1 徑向分布函數(shù) 100
3.3.2 靜態(tài)結(jié)構(gòu)因子 101
3.4 礦物晶格賦存元素模擬的經(jīng)典蒙特卡羅法 101
3.4.1 附著位置和附著能 101
3.4.2 溫度和壓力影響平均附著量 103
3.4.3 礦物晶格賦存元素的模擬實(shí)例 103
參考文獻(xiàn) 106
第4章 礦物晶格的光電特性模擬 108
4.1 礦物晶格的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程 108
4.1.1 Mulliken布居分布 108
4.1.2 前線軌道 109
4.1.3 電子能級(jí)和有效電子/空穴 110
4.1.4 能態(tài)密度 111
4.2 礦物晶格的光電特性 113
4.2.1 能隙和吸收波長(zhǎng)的關(guān)系 113
4.2.2 介質(zhì)折射指數(shù) 114
4.3 礦物晶格光電特性的模擬實(shí)例 115
參考文獻(xiàn) 118
第5章 礦物晶格內(nèi)的物質(zhì)傳輸模擬 121
5.1 礦物晶格分子動(dòng)力學(xué)的動(dòng)態(tài)性能 121
5.1.1 關(guān)聯(lián)函數(shù) 121
5.1.2 輸運(yùn)性質(zhì) 121
5.2 礦物晶格內(nèi)小分子的擴(kuò)散 122
5.2.1 礦物晶格內(nèi)的自由體積 122
5.2.2 經(jīng)典的愛(ài)因斯坦擴(kuò)散 123
5.2.3 非愛(ài)因斯坦擴(kuò)散 124
5.3 往返式擴(kuò)散數(shù)據(jù)分析方法 125
5.3.1 聚類(lèi)法分析小分子的擴(kuò)散系數(shù) 125
5.3.2 擴(kuò)散率與滲透率的擬合法 125
5.3.3 自由體積賦存小分子的擴(kuò)散與聚類(lèi)分析模擬實(shí)例 126
參考文獻(xiàn) 130
第6章 礦物-小分子的表面化學(xué)反應(yīng)和界面電子轉(zhuǎn)移 132
6.1 礦物表/界面模擬方法簡(jiǎn)介 132
6.2 礦物表面賦存小分子的模擬 133
6.2.1 礦物表面的建模方法 133
6.2.2 礦物表面賦存離子或小分子的建模方法 134
6.2.3 礦物表面賦存小分子的模擬方法 135
6.3 礦物表面賦存小分子的模擬實(shí)例 137
6.3.1 礦物表面賦存多肽小分子電子轉(zhuǎn)移的MD模擬實(shí)例 137
6.3.2 礦物表面賦存多肽小分子電子轉(zhuǎn)移的GCMC-MD-DFT模擬實(shí)例 140
6.3.3 礦物表面賦存有機(jī)小分子的TST-DFT模擬實(shí)例 143
6.3.4 礦物表面賦存有機(jī)小分子的MD-DFT-2D-CA模擬實(shí)例 146
6.4 礦物界面賦存小分子的建模 149
6.4.1 無(wú)機(jī)復(fù)合礦物界面的建模方法 149
6.4.2 礦物-小分子界面的建模方法 150
6.4.3 礦物界面建模實(shí)例 151
6.5 多尺度模擬聯(lián)用技術(shù)在礦物界面電子轉(zhuǎn)移過(guò)程中的應(yīng)用 153
6.5.1 礦物界面電子轉(zhuǎn)移過(guò)程的GCMC-MD-DFT模擬實(shí)例 153
6.5.2 礦物界面賦存小分子電子轉(zhuǎn)移過(guò)程的GCMC-MD-DFT模擬 156
6.5.3 礦物層間賦存小分子電子轉(zhuǎn)移過(guò)程的GCMC-MD-DFT模擬 164
參考文獻(xiàn) 167
第7章 礦物溶解、結(jié)晶和生長(zhǎng)過(guò)程的模擬 170
7.1 礦物表面溶質(zhì)的分布模擬 170
7.1.1 礦物表面溶質(zhì)的概率分布與表界面偏析 170
7.1.2 礦物表面溶質(zhì)的動(dòng)態(tài)概率分布 171
7.1.3 礦物賦存溶質(zhì)的概率分布模擬實(shí)例 171
7.2 礦物溶解與有機(jī)小分子誘導(dǎo)相變作用的模擬 174
7.2.1 有機(jī)小分子溶解礦物過(guò)程的模擬 174
7.2.2 有機(jī)小分子團(tuán)簇表面礦物分子的GCMC-MD-DFT模擬實(shí)例 175
7.2.3 細(xì)菌代謝有機(jī)小分子浸出礦物內(nèi)稀土元素的模擬與實(shí)驗(yàn)實(shí)例 180
7.3 礦物溶解與微量元素誘導(dǎo)相變作用的模擬 183
7.3.1 能態(tài)密度的定量分析方法：二維相關(guān)數(shù)據(jù)分析法 183
7.3.2 微量元素誘導(dǎo)礦物相變過(guò)程實(shí)例 186
7.3.3 微量元素遷移誘導(dǎo)礦物相變過(guò)程實(shí)例 191
7.4 礦物溶解的動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué) 194
7.4.1 礦物顆粒聚集和流動(dòng)過(guò)程的耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬 194
7.4.2 礦物孔隙內(nèi)的小分子流動(dòng)和礦物溶解模擬 195
7.4.3 礦物靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模擬 196
7.5 礦物結(jié)晶-生長(zhǎng)過(guò)程和宏觀數(shù)據(jù)模擬 196
7.5.1 礦物結(jié)晶過(guò)程的粗�；M 196
7.5.2 礦物生長(zhǎng)的元胞自動(dòng)機(jī)模擬 197
7.5.3 宏觀數(shù)據(jù)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模擬 197
參考文獻(xiàn) 198
附錄 201
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