科技的发展和突破都离不开材料学的研究。比如汽车和飞机需要更轻更强，锂电池和太阳能电池需要更高的能量密度，手机屏幕要摔不碎，电力传输需要更高导电性能的材料，环保领域需要多功能新型催化材料……
更多更好的材料，解决人类在能源、信息、环境等方面遇到的问题。而计算材料学的出现，让材料实现从传统设计转换为计算模拟设计，研发设计效率大大提高。
计算是怎么来的？
计算不是凭空而来，而是通过实验问题发现其中一个可行的切入点，利用强大的计算机能力，从纳观、微观、介观等尺度研究各分子的运动情况，进而反映出研究对象的宏观现象。
那么，计算与材料到底是什么关系呢？
其实，计算材料主要包括两个方面的内容：一方面是计算模拟，即从实验数据出发，通过建立数学模型及数值计算，模拟实际过程；另一方面是材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测或设计材料结构与性能。
计算是通过不同的切入点进行研究，因此方法也多样化：
✦第一性原理从头计算法（Ab initio）
✦分子动力学方法（Molecular Dynamics）
✦蒙特卡洛方法（Monte Carlo）
✦元胞自动机方法（Cellular Automata）
✦相场法（Phase field）
✦几何拓扑模型方法
✦有限元分析（Finite Element Analysis）等。
计算模拟的方法不仅可以加深对材料的认识，探究材料结构、性质、反应机理。而且还能引导实验、理性设计实验，更能节省时间，降低成本。
越来越多的研究者们通过计算软件模拟与实验现象相结合，基于量子力学的第一性原理计算，从原子尺度解释和预测所设计材料的热力学与动力学性能，降低研发成本，提高材料设计的成功率。
石墨烯目前是已知强度最高的材料之一，且具有优异的电传导和热传导性能。其应用范围很广，从电子产品、防弹衣、造纸到代替硅生产未来的超级计算机，甚至未来的“太空电梯”都可以以石墨烯为原料。自2004年英国曼彻斯特大学的两位科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov用一种特殊胶带粘出石墨烯之后，制备石墨烯的新方法层出不穷。
今年3月份，Science又在线发表了一篇题为“Real-time imaging of adatom-promoted graphene growth on nickel”的文章，里雅斯特大学Maria Peressi从理论和实验上证明了在镍（Ni）上石墨烯生长的技术相关过程中单金属吸附原子所起的催化作用。并使用力场分子动力学和密度泛函理论解释了单个Ni原子在生长的石墨烯薄片边缘处的催化作用。
石墨烯在金属表面上的生长可以由流动表面金属原子催化。高温导致碳扩散到表面，其中流动的镍原子则催化边缘上的石墨烯生长。这种对单原子催化剂活性机制的探索将进一步引导石墨烯的制备与应用。
石墨烯沿z和k边缘生长;（A）Ni（111）面上top-fcc结构的外延石墨烯的Z形和K形边界;（B）温度为710K时z形边界处的高速扫描隧道显微镜成像图。（c）温度为710K时k形边界处的高速扫描隧道显微镜成像图。
（图片来源：Patera et al., Science 359, 1243–1246 (2018)）
DFT方法预测的石墨烯生长途径
（图片来源：Patera et al., Science 359, 1243–1246 (2018)）
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