計算礦物學(xué)屬于一門交叉學(xué)科，其建立和發(fā)展依賴于物理學(xué)和計算機(jī)學(xué)的進(jìn)步。不同于實驗礦物學(xué)從測試結(jié)論反推理論模型，計算礦物學(xué)可根據(jù)已知礦物模型計算理論模型的理論值，或預(yù)研推測未知模型及其相應(yīng)參數(shù)。目前，國內(nèi)外計算礦物學(xué)的相關(guān)論文很多，但其發(fā)展仍滯后于實驗礦物學(xué)。考慮到礦物學(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)和計算機(jī)知識背景，《計算礦物學(xué)》對計算礦物學(xué)中三類模擬尺度（納觀-微觀、微觀-介觀和介觀-宏觀）的主流模擬技術(shù)進(jìn)行評述，弱化物理學(xué)理論敘述、公式推導(dǎo)和程序編寫等內(nèi)容，重點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，并列舉部分實例進(jìn)行說明。
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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 6
1.2.3 應(yīng)用礦物分類 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)實驗研究方法 17
1.4.1 粒度和孔道測試 17
1.4.2 形貌測試 18
1.4.3 結(jié)構(gòu)測試 21
1.4.4 結(jié)合鍵測試 23
1.4.5 元素測試 26
1.4.6 自由基測試 30
1.4.7 熱學(xué)測試 31
1.4.8 光學(xué)測試 32
1.4.9 電學(xué)測試 35
1.4.10 磁學(xué)測試 37
1.4.11 力學(xué)測試 38
參考文獻(xiàn) 39
第2章 計算方法概述 42
2.1 計算研究的起源、發(fā)展與現(xiàn)狀 42
2.2 計算方法分類 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 51
2.4.5 緊束縛近似 53
2.5 分子動力學(xué)的起源和發(fā)展概述 53
2.6 分子動力學(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 力的計算方法 56
2.6.4 運(yùn)動方程數(shù)值求解 58
2.6.5 勢函數(shù)(力場)的適用性 59
2.6.6 系綜原理 60
2.6.7 CPMD方法簡介 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 過渡態(tài)理論的起源和發(fā)展概述 70
2.10 過渡態(tài)理論的基本思想 71
2.10.1 經(jīng)典理論 71
2.10.2 過渡態(tài)理論 72
2.10.3 變分過渡態(tài)理論 74
2.10.4 微正則變分過渡態(tài)理論 75
2.11 微觀-介觀尺度動力學(xué)模擬概述 76
2.12 粗�；肿觿恿W(xué) 78
2.12.1 經(jīng)典理論 78
2.12.2 方法分類 79
2.13 耗散粒子動力學(xué) 80
2.13.1 經(jīng)典理論 80
2.13.2 方法分類 81
2.14 元胞自動機(jī) 83
2.14.1 經(jīng)典理論 83
2.14.2 方法分類 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 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 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 礦物晶格分子動力學(xué)的動態(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)典的愛因斯坦擴(kuò)散 123
5.2.3 非愛因斯坦擴(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)散與聚類分析模擬實例 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模擬實例 140
6.3.3 礦物表面賦存有機(jī)小分子的TST-DFT模擬實例 143
6.3.4 礦物表面賦存有機(jī)小分子的MD-DFT-2D-CA模擬實例 146
6.4 礦物界面賦存小分子的建模 149
6.4.1 無機(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)移過程中的應(yīng)用 153
6.5.1 礦物界面電子轉(zhuǎn)移過程的GCMC-MD-DFT模擬實例 153
6.5.2 礦物界面賦存小分子電子轉(zhuǎn)移過程的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)晶和生長過程的模擬 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驗實例 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)礦物相變過程實例 186
7.3.3 微量元素遷移誘導(dǎo)礦物相變過程實例 191
7.4 礦物溶解的動力學(xué)和靜力學(xué) 194
7.4.1 礦物顆粒聚集和流動過程的耗散粒子動力學(xué)模擬 194
7.4.2 礦物孔隙內(nèi)的小分子流動和礦物溶解模擬 195
7.4.3 礦物靜力學(xué)和動力學(xué)模擬 196
7.5 礦物結(jié)晶-生長過程和宏觀數(shù)據(jù)模擬 196
7.5.1 礦物結(jié)晶過程的粗�；M 196
7.5.2 礦物生長的元胞自動機(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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