玻璃不同的成分、原料和制备工艺而得到的玻璃材料及制品的要求越来越高，尤其是在信息技术、生命科学、新能源与再生能源、新材料、海洋科学、环境保护方面表现得尤为突出。各种统计数据和市场预测也表明，对于新型玻璃功能材料的开发和推广成为玻璃行业主要发展趋势之一。 新型玻璃薄膜材料的设计方法
研究和开发新型材料方法主要有两个，即传统的试错方法和建立在经验和理论基础上的理论计算方法。这两种方法各有所长，相辅相成，相互结合，促成了新材料的不断创新和新产品的不断诞生。然而，采用这两种方法，从新材料研发到市场应用时间跨度非常长，某种新材料从最初的研究开发，经性能优化、系统设计与集成、验证、制造到首次投入市场通常需要10-20年时间。在更加注重资源与效率的今天，传统的实验研究盲目性的缺点日渐突出，过多的实验研究会造成成本上升和自然资源、社会资源的极大浪费。与之相对应的，随着理论上的不断突破以及计算机技术的飞速发展，人．们可以根据所需要的材料结构和性能，设计出满足要求的材料，即材料设计(materials design)方法。 关于材料设计方法
材料设计是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者说，通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料 。这是人们长期追求的目标，目前并未完全实现。尽管如此，由于凝聚态物理学、量子化学等相关基础学科的深入发展，以及计算机能力的空前提高，使得材料研制过程中理论和计算的作用越来越大，直至变得不可缺少。在1995年美国国家科学研究委员会(Nastional Re．search Council，NRC)邀请众多专家经过调查分析，编写了《材料科学的计算与理论技术》这一专门报告。在开篇前言中明确提出：“materials bydesign(设计材料)”一词正在变为现实，它意味着理论在材料研制与应用过程中的作用不断增长。研究者今天已处在运用理论和计算来“设计”材料的初期阶段，其应用也在高速发展。到2011年6月底，白宫又发布了美国国家科学技术委员会起草的“材料基因组计划”白皮书(Materials GenomeInitiative，MGI)，提出要实现材料领域发展模式的转变，把新材料研发和应用的速度从目前的1 0-20年缩短一半，并把对材料创新发展的认识提升到国家安全的高度 。
在材料设计的表达上，各个国家略有差别，但含义一致。如在1985年日本学者就提出了“材料设计学”一词 。中国从1983年提出，在1986年实施的中国科学技术发展长远规划，提出抓好一批重点基础研究项目，对新材料领域提出了探索不同层次微观理论指导下的材料设计这一要求 ，在后续的国家高技术研究发展计划中的材料领域，设立了“材料微观结构设汁号i生能预测”研究专题。而把材料设计称为材料“计算机分析与模型化”(computer-based analysis and
modeling)，是美国学者在《90年代材料科学与工程》报告中提出的。 材料设计可按研究对象的空间尺度不同而划分为3个层次：微观设计层次，是涉及空问尺度约1nm量级的原子、电子层次的设计；连续模型层次，典型尺度在约1nm量级，此时材料被看成连续介质而不考虑其中单个原子、分子的行为；工程设计层次，尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。给出了材料研究中的理论方法、空间尺度及相互作用时间三者的对应关系 。 近年来，材料设计或材料的计算机分析与模型化日益受到重视的主要原因有以下几点：
1)凝聚态物理、量子力学、热力学与统计力学、计算物理学等相关学科在理论概念和方法上有了快速发展，为材料从原子、分子层次的纳米尺度结构设计提供了理论基础。
2)随计算机芯片的速度、存储容量提升和软件的易操作性提高，几年前无法解决大分子模型计算与数据分析的瓶颈问题被打破，且这种解决问题能力还将随计算机发展不断提升。
3)用计算机模拟复杂的物理、化学过程，解决材料研究和制备问题，部分甚至全部替代复杂实验，是材料研究的先进手段。特别是现实条件难以实施或无法实施的极端条件实验，理论分析和模拟计算可在无实物消耗情况下提供有效的信息。
4)计算机技术的进步，还带动了科学测试仪器的发展，提高了设备的分辨能力、定量测量的精度和可靠性，为分析、验证模拟计算优化后的材料实验结果，提供了丰富、翔实的实验数据，为进一步完善理论设计提供了技术支撑。
5)材料制备技术的整体提升，使以原子、分子为起始设计的材料合成并在微观尺度上控制其结构的目标得以实现。例如，在高真空条件下的分子束外延、纳米粒子组合、调制、胶体化学方法等。这类材料研究、制备设备，在利用得到的材料微观设计的结果加以制备和验证方面，显然是不可缺少的并且大有用武之地。 材料设计的技术途径
材料设计方法主要是从第一性原理出发进行演绎计算或在经验规律基础上进行归纳，或二者的交叉、组合。材料设计的技术途径可分为：
1)建立材料知识库和数据库技术。材料知识库和数据库就是以存取材料知识和性能数据为主要内容的数值数据库。国际上的材料数据库正朝着网络化、标准化、智能化和商业化的方向发展。智能化使材料数据库发展成为专家系统；网络化将分散的、彼此独立的数据库相联而成为一个完整系统。在特定的专业领域完成材料知识库和数据库技术积累，就可以解决该领域的一系列相关问题”。利用材料知识库和数据库辅助材料设计的一个典型例子，就是在日本提出材料设计概念的
三岛良绩等人，他们建立的计算机辅助合金设计(Corn—puter Aid Alloy Design)系统， 目标是为未来的可控热核反应炉设计和选择材料。为此，他们在计算机中储存了与合金设计相关的信息，包括各种元素的基本物理化学数据，合金相图、物性参数，各种经验方程式，各类合金体系的实验数据，各种合金用途以及相关文献记录等。还以元素的百分含量为坐标，构筑了70多种元素的多维空间，将上述各种信息记录在此多维空间中，依据一定程序实现了计算机辅助合金设计。在玻璃薄膜行业也已经形成国际化的标准组织(Lawrence Berkeley Na—tional Laboratory)收集来自不同单位的样品数据，完善名为window的数据库软件并为行业窗口材料的科学选择提供服务 。
2)材料设计专家系统。材料设计专家系统是指具有相当数量的与材料有关的各种背景知识，并能运用这些知识解决材料设计中有关问题的计算机程序系统。国际上应用最广泛的是材料设计专家系统以及基于人工神经网络的材料专家系统。在材料学领域的特定范围和一定程度上，它能为一类特定性能材料的制备提供指导，帮助技术人员进行新产品的开发。专家系统还可以连接(或内含)数据库、模式识别系统和各种运算模块。这些模块的综合运用可以有效地解决设计中的有关问题o无机玻璃工程师系统(GE—SYSTEM)就是玻璃领域内的一个典型例子，这一专家系统可以对玻璃配方进行系统设计、依据期望的玻璃成品特性需要做出原料成分的调整。
3)材料设计中的计算机仿真。采用计算机仿真模拟，通过设计好一系列的合成路线来获得目标材料，并能够了解这些材料的纳米和微观相结构，得出实验结果可以指导新材料研究，也是材料设计中有效方法之一 。材料设计中的计算机模拟的对象从原子、分子相互作用开始，到材料使用性能特征的全过程，包括元素合成、分子结构、性能、制备条件和应用特征等。例如，在利用计算机模拟玻璃基片上沉积的功能薄膜的微结构时，可以计算出不同元素构成的
膜层成分、在不同掺杂量时，对于膜层的紫外一可见光一红外吸收光谱的影响，依据应用要求，设计和选择沉积在玻璃表面的膜层成分和结构o随着计算机技术的进步和人类对物质不同层次、结构及动态过程认识的深入，用计算机精确模拟的对象日益增多。特别是用计算机模拟比进行真实的实验要更经济更迅速更准确地得到接近理想的实验结果，可根据计算机模拟结果，选择最优的实验方案，提高实验效率。
材料设计特点与一般过程
材料设计特点可以归纳为：1)适用广泛。材料设计可以贯穿于原料选取、生产制造、后期深加工各个环节，不受具体生产条件限制，从微观性质到宏观表现都可以用材料设计方法进行研究，几乎所有元素、所有物理化学性质都可以通过材
料设计方法研究计算。2)经济实用。通过材料设计可减少实物浪费，节约资源、能源和成本，特别是某些实验需要大量的资源投入。而且，由于大部份工作由计算机完成，对场地、设施等要求较低，便于推广。3）实验完整。对有些探索性研究，实验效果难以预测和把握，特别是有些实验需要在极端条件(超高温、超高压、超高电磁场等)下进行，先期的材料设计可以获得对结果的初步评估，并减少实验的危险性。4)目标明确。实物实验受诸多实际条件综合影响，对结果的制约因素众多，因此往往难以理清各种因素的作用及程度，而材料计算软件可以通过建立简化模型抽象出主要因素，去除次要因素，这样更利于抓住本质，然后由简到繁，可综合评估各种因素的影响作用。5)提升效率。材料设计的目的明确，效率提高，因此能大大缩短材料研发的时间，促进新材料更新换代，提升行业的整体水平。给出的是材料设计软件的适用对象、理论研究方法、可分析性质及一般技术流程阻 。
在材料设计领域，能在材料研发中节省成本、提高效率的一个典型的例子是，总部设在美国的德克萨斯州达拉斯市的Celanese公司需要从300个候选物中找到新的共混材料。但是由于此类实验周期长(实验周期从1个月到1年不等)，实验投入大，据互联网数据中心(IDC)调查，每个实验花费500-30 000美元，这里选取1 000美元。Celanese公司使用虚拟实验方法对候选物进行预处理，并从中选出了30个最佳候选物进行实验，并最终得到所需材料。 材料设计在玻璃材料领域应用
目前，材料设计在玻璃功能材料研发中已经实现了广泛的应用。
1)深化并扩展对玻璃基本属性和规律的认识。玻璃是大量原子、电子等微观粒子的集合。利用第一性原理计算和分子动力学等方法，利用能量等判据，从原子、电子等尺度解释说明玻璃的形成条件和规律，可以加深对玻璃材料的理解，从而为开拓新型玻璃功能材料提供坚实的基础。N．Zotov等首次利用Kirkwood一型势函数计算机简化模型，对比Na2SiO3 和SiO2：玻璃，计算了硅酸盐玻璃的拉曼振动模式和频率密度，结果与实验数据吻合。利用这些结果，对玻璃内部的各种化学键(桥氧键，非桥氧键等)进行的研究，定量讨论了解聚作用对微观(局域)结构、桥氧所占比例、拉伸特性等的作用，从而加深了人们对于硅酸盐及石英玻璃的认识。而N．A．Jemali等人利用密度泛函理论，通过键长和键角优化，计算了各种Ge Se。一 团簇的稳定态结构以及振动频率谱。通过与实验测得的拉曼数据相对比，证实Ge—Se玻璃中确实存在Ge 、GeSe3、GeSe 和Ge3Se2等团簇。这些方法和结果对于理解玻璃态物质的微观结构以及微晶玻璃研究有很大启发意义口 。 2)玻璃成分、结构设计和性能预测。玻璃的性能主要取决于成分和微观结构。利用材料设计软件，通过改变成分、结构调整，可以控制其性能，获得满足要求
的材料。J．de Bonfils等人利用分子动力学方法计算了掺杂Eu3+的硼硅酸盐玻璃的结构，并预测了其荧光光谱S．Suehara等利用第一性原理分子轨道理论计算预测了典型玻璃形成体(BO，、SiO 、P0s和Te0 )的折射率。 新型玻璃功能薄膜材料的制备技术
将金属或金属氧化物装饰于玻璃或陶瓷表面上，已经有一千多年的历史。但新型的玻璃薄膜材料制备技术则是随着玻璃工业化发展而在近年快速发展起来的。新型玻璃薄膜材料因其明确的功能性要求，一般是由带有半导体性质的金属氧化物材料构成，也有一些特定结构的单质如无机碳材料、有机复合材料可以制备成玻璃薄膜；同时，由于其功能性特点，薄膜已经被用于固体的结构与其物理性能之间相互关系的研究。研究发现，薄膜厚度降低到一定值以下时，薄膜会产生一种电子效应，即恒定场导电特性发生突变，对于厚度小于10 nm的薄膜，其电流密度由于隧道效应而大为增加。在薄膜厚度相当于或者小于电子平均自由程时，很多种半导体薄膜类材料在导电方面发生显著变化[42]o因此，在玻璃薄膜制备技术中，薄膜的制备方式、条件与制成薄膜的厚度、结构状态相关变得十分重要H。传统的镀膜技术分为干式镀膜与湿式镀膜两大类。干式镀膜是在真空条件下，运用物理或化学的方式，将材料气化成原子、分子或使其电离成离子，通过气相输运过程，在玻璃表面沉积成特定厚度的、具有特殊功能的薄膜，即所谓气相沉积技术，如物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)和化学气相沉积(Chemistry Vapor Deposition，CVD) 。湿式镀膜是将玻璃置于掺有特定元素的电解质溶液中，通过化学、电化学方法，使液体均匀铺展在玻璃表面通过物理方法将其固化，使其成为玻璃表面的镀层，如溶胶凝胶法(Sol—gel Method)制备多种玻璃薄膜和化学镀银镜法。PVD 的主要方法是真空蒸发镀膜(VacuumEvaporation)、真空溅射镀膜(Vacuum Spuaefing)和离子镀膜(Ion Plating)。在当前工业化技术中，以蒸发镀制造了大面积的高级铝镜，利用了铝元素的氧化钝化层，加上保护漆膜，使镜面膜经久耐用；早在1955年出现的真空溅射镀膜法制造了透明的多层复合导电膜(IndiumTinOxide，ITO)H ；离子束溅射(Ion Beam Spuaering，IBS)技术最早是由D．M．Ma~ox于1963年提出来的镀膜技术 ，在近十多年得到迅速发展，有些难熔材料采用其他镀膜技术难以制成薄膜，而采用高能激发的离子镀变得简单，并可以制成多种色彩，在装饰镀膜等多个领域得到了广泛应用 ”，尤其是用于要求非常苛刻的镀膜。由于IBS镀膜具有很高的可重复性，并且沉积速率缓慢，因此镀膜层的厚度可以制作得非常精确，可以制造出紧凑的膜层，并且散射非常少，在光学性能方面有较好的稳定性。 近年来，按照所需要薄膜的不同功能要求，在上述方法上又施加以电场、磁场等，形成PVD或CVD 镀膜过程中的原子、分子或离子定向调制运动，提升了沉积薄膜