西安交大院肖冰、成永红教授团队 在多物理场-多尺度有限元耦合分子动力学模拟算法方面取得突破性进展

纳米及原子尺度物质结构与电-热-力场之间直接协同耦合作用可导致强烈电子场发射效应，并在时空尺度诱发材料微观结构动态且连锁的相变及热失控过程，研究上述现象是揭示微观尺度真空电击穿起始机制的关键，认识相关规律对于优化微纳米尺度电子场发射器件性能及提升紧凑型高能直线粒子加速器能量注入效率和稳定性提供重要的理论设计基础。长期以来，该领域先进的数值计算理论和核心模拟软件被以CERN（欧洲核子研究中心）等为代表的欧美研究机构及课题组所垄断，相关计算工具也尚未完全实现开源共享及商业化。

西安交通大学电气工程学院、电工材料电气绝缘全国重点实验室肖冰、成永红教授团队针对原子-分子尺度凝聚态物质与电磁场耦合演化的基础物理模型和数值计算方法开展了潜心研究与技术攻关，以C++语言为编程框架，构建了国内唯一、国际领先的多物理场-多尺度耦合分子动力学模拟计算工具FEcMD（场发射耦合分子动力学模拟）：算法从物理机制底层层面构建了支持经典原子力场和机器学习势函数跨尺度（全原子模型混合粗粒化模型）分子动力学模块（MD）、耦合原子尺度结构的有限差分及有限元跨尺度网格划分模块、电子-声子双通道热输运有限元耦合分子动力学模块（HD-MD）、空间电荷量子多体效应自洽计算电子场发射模块、有限元空间电荷宏粒子模拟-电动力学耦合分子动力学模块（ED-PIC-MD），电-热-力有限元耦合分子动力学模拟模块（HD-ED-PIC-MD），通过常规工作站实现对包含10⁵~10⁶个原子规模金属纳米材料体系从10^-15~10^-9 s时间尺度结构与电-热-力等多物理场直接耦合、动态协同演变的多尺度-多物理场模拟计算。FEcMD软件由国家超级计算西安中心推荐，已经于2004年正式进驻国家超算互联网（SCNet）；2005年，被SCNet评选为具有完全自主知识产权的优秀国产软件（第二批，共8个软件入选）。FEcMD软件的成功开发对于缩小我国在多物理场-多尺度模拟计算方法和软件等基础研究领域与欧美的差距，打破国外在该领域长期以来形成的垄断局面具有积极推动作用。

FEcMD软件算法构架及多尺度结构与电-热-力物理场直接动态耦合

相关成果以《FEcMD：用于金属纳米结构中分子动力学动态耦合瞬态电场及热输运模拟的多物理场-多尺度计算程序》（FEcMD: A multi-physics and multi-scale computational program for dynamic coupling molecular dynamics simulations with transient electric field and heat conduction in metal nanostructures）为题在线发表于计算物理及数学物理领域国际顶级期刊《计算机物理通讯》（Computer Physics Communications）。西安交通大学为第一通讯作者单位，西安交通大学电气工程学院肖冰教授为论文第一作者，李南博士为论文第一通讯作者（FEcMD软件核心算法主要开发者，已毕业，现就职于西安热工院），肖冰教授、成永红教授为论文共同通讯作者，其他重要合作者还有电气工程学院孟国栋教授及吴锴教授。课题组团队博士生孔文谦，研究生楚睿、张鸿玉及伍尚永在算法测试、论文撰写及修改阶段也作出了重要贡献。该项目得到西安交通大学青年拔尖人才支持计划、电工材料电气绝缘全国重点实验室、西安交通大学基本科研业务经费青年创新团队的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cpc.2026.110442

软件下载链接：https://github.com/NanLi-xjtu/FEcMD

肖冰教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/xiaobing/zh_CN/index.htm

成永红教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/cyh/zh_CN/index.htm