科技的發展和突破都離不開材料學的研究。比如汽車和飛機需要更輕更強，鋰電池和太陽能電池需要更高的能量密度，手機屏幕要摔不碎，電力傳輸需要更高導電性能的材料，環保領域需要多功能新型催化材料……
更多更好的材料，解決人類在能源、信息、環境等方面遇到的問題。而計算材料學的出現，讓材料實現從傳統設計轉換為計算模擬設計，研發設計效率大大提高。
計算是怎麼來的？
計算不是憑空而來，而是通過實驗問題發現其中一個可行的切入點，利用強大的計算機能力，從納觀、微觀、介觀等尺度研究各分子的運動情況，進而反映出研究對象的宏觀現象。
那麼，計算與材料到底是什麼關係呢？
其實，計算材料主要包括兩個方面的內容：一方面是計算模擬，即從實驗數據出發，通過建立數學模型及數值計算，模擬實際過程；另一方面是材料的計算機設計，即直接通過理論模型和計算，預測或設計材料結構與性能。
計算是通過不同的切入點進行研究，因此方法也多樣化：
✦第一性原理從頭計算法（Ab initio）
✦分子動力學方法（Molecular Dynamics）
✦蒙特卡洛方法（Monte Carlo）
✦元胞自動機方法（Cellular Automata）
✦相場法（Phase field）
✦幾何拓撲模型方法
✦有限元分析（Finite Element Analysis）等。
計算模擬的方法不僅可以加深對材料的認識，探究材料結構、性質、反應機理。而且還能引導實驗、理性設計實驗，更能節省時間，降低成本。
越來越多的研究者們通過計算軟件模擬與實驗現象相結合，基於量子力學的第一性原理計算，從原子尺度解釋和預測所設計材料的熱力學與動力學性能，降低研發成本，提高材料設計的成功率。
石墨烯目前是已知強度最高的材料之一，且具有優異的電傳導和熱傳導性能。其應用範圍很廣，從電子產品、防彈衣、造紙到代替硅生產未來的超級計算機，甚至未來的“太空電梯”都可以以石墨烯為原料。自2004年英國曼徹斯特大學的兩位科學家Andre Geim和Konstantin Novoselov用一種特殊膠帶粘出石墨烯之後，製備石墨烯的新方法層出不窮。
今年3月份，Science又在線發表了一篇題為“Real-time imaging of adatom-promoted graphene growth on nickel”的文章，裡雅斯特大學Maria Peressi從理論和實驗上證明了在鎳（Ni）上石墨烯生長的技術相關過程中單金屬吸附原子所起的催化作用。並使用力場分子動力學和密度泛函理論解釋了單個Ni原子在生長的石墨烯薄片邊緣處的催化作用。
石墨烯在金屬表面上的生長可以由流動表面金屬原子催化。高溫導致碳擴散到表面，其中流動的鎳原子則催化邊緣上的石墨烯生長。這種對單原子催化劑活性機制的探索將進一步引導石墨烯的製備與應用。
石墨烯沿z和k邊緣生長;（A）Ni（111）面上top-fcc結構的外延石墨烯的Z形和K形邊界;（B）溫度為710K時z形邊界處的高速掃描隧道顯微鏡成像圖。（c）溫度為710K時k形邊界處的高速掃描隧道顯微鏡成像圖。
（圖片來源：Patera et al., Science 359, 1243–1246 (2018)）
DFT方法預測的石墨烯生長途徑
（圖片來源：Patera et al., Science 359, 1243–1246 (2018)）
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