第一性原理（First Principles）是指从最基本的物理定律出发，不依赖任何实验数据或经验公式，直接推导出一个系统的性质。在材料科学中，第一性原理通常使用量子力学的基本原理，特别是密度泛函理论（DFT），来研究材料的电子结构、原子相互作用、能带结构、力学性质等。
通过第一性原理计算，科学家可以预测新材料的性能，探索材料设计和优化的新途径，而不必依赖于大量的实验数据。
第一性原理的起源
早在2300年前就被古希腊哲学家亚里士多德种下，他提出每个系统都有不可再分解的”第一命题”—就像房子的地基，是一切的基础。像乐高积木一样从最基本的零件开始构建整个世界！
时间快进到1927年，量子力学革命时期，波恩和奥本海默这对科学搭档提出了著名的”绝热近似”，把电子和原子核的运动分开研究，就像把一对形影不离的舞伴暂时分开观察。这个突破为现代第一性原理计算奠定了基础。
第一性原理到底是什么
用大白话说，第一性原理计算就是用量子力学的基本公式当“说明书”，从原子和电子的基本特性出发，预测材料的所有表现。它只需要七个宇宙基本常数（比如光速、电子质量这些），完全不需要任何实验数据当“参考答案”，就像只用数学公式就能预测一场交响乐的效果。
最常用的方法是密度泛函理论(DFT)，它把复杂的电子相互作用简化成电子密度的函数，相当于把一场万人舞会简化成人群密度图，既保留了关键信息又大大降低了计算难度。
量子力学薛定谔方程公式
晶体结构预言家
第一性原理能告诉你它们最喜欢怎么排列。比如在研究铁碳化合物Fe₄C时，计算发现碳原子会让周围的铁原子跳一种特殊的”扭曲舞”(Bain畸变)，而氮原子在Fe₄N中则让铁原子保持规整的队形。这些细微差别通过计算看得一清二楚，就像用原子级显微镜观察舞蹈编排。
南京大学团队还开发了基于对称性的算法，让这种“结构预言”速度提升了4倍，就像给侦探配了超级计算机辅助破案。
晶体结构三维模型
电子结构
某些Heusler合金(比如CoRhMnAl)的计算结果特别有趣——它们的电子结构像被施了魔法：一个自旋方向的电子通道全满，另一个方向却空空如也。这种”半金属铁磁性”让它们在自旋电子器件中大放异彩，就像给电子修了条单行道。
清华大学开发的DeepH方法更厉害，用人工智能学习DFT计算数据，能快速预测超大材料的电子结构，相当于用AI复制了材料学家的”直觉”。
DOI：10.22541/au.160610603.36832895/v1
材料强度预言师
高熵合金FeCrCoMnAl的计算结果：在[001]方向能承受7.7GPa的拉力，相当于指甲盖大小面积撑起两头非洲象！更神奇的是，计算预测它会先优雅地变形9%才断裂，后来实验完全验证了这个预言。
DOI: 10.11889/j.0253-3219.2018.hjs.41.100602
高熵合金微观结构电子显微镜图像
能源材料设计
在热电材料HfRhSb的研究中，计算不仅揭示了高温下的优异性能，还画出了详细的”性能地图”，指导实验人员精准调整配方。太阳能电池材料Cu₂ZnSnS₄的计算则像美食食谱，指出哪种原子搭配最“美味”(稳定)。
界面
当Sn-Zn钎料要和铝合金”结婚”时，计算就像婚前辅导：添加适量铜能提高”婚姻和谐度”(界面结合强度)。TiN薄膜的光学性质计算则精确到能预测它如何与光”共舞”，为光学镀膜设计提供剧本。
DOI：10.1038/nmat4852
材料界面结合的高分辨率透射电镜图
未来展望
想象未来某天，科学家像玩《我的世界》一样，在计算机里用原子搭建新材料，第一性原理计算就是他们的“物理引擎”。随着量子计算机和AI的发展，我们可能迎来材料设计的革命：
逆向设计：直接输入“想要超导材料在室温工作”，计算机自动设计出分子结构。
跨尺度模拟：从量子世界到宏观性能无缝衔接，像用显微镜和望远镜同时观察。
自动实验室：计算设计出的配方直接由机器人合成验证，形成发现闭环。
从古希腊哲学家的冥想到今天改变世界的技术，第一性原理计算证明：最基础的理论往往能爆发最强大的力量。它不仅是工具，更是一种思维方式——在复杂世界中寻找那些简单而深刻的真理。