迅速设计专门针对特定应用的材料的能力取决于预测性材料模型的使用。在过去的几十年里，多尺度建模已经成为构建材料模型的主要范式。本报告总结了作为美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室跨领域工作的一部分，即2011年至2021年的材料多尺度研究企业（PE 611102.AA7.13 "新型材料的多尺度建模"）在发展多尺度建模方法方面的工作。这项工作包括与两个为期5年的合作研究联盟（CRAs）的耦合研究：极端动态环境中的材料CRA和电子材料的多尺度/多学科建模CRA（PE 611104.AB7.09 "材料的多尺度建模中心"）。

三个研究方向构成了整体工作。

第一个研究方向的首要目标是构建计算方法，以促进多尺度模型层次中的尺度模型之间的数据传输，以便通过直接连接尺度模型来构建多尺度模型。这个研究方向的一个主要贡献是为尺度桥接开发了一个灵活的模块化软件环境。

第二个重点是开发新的方法，以便能够从第一原理上探索真实材料的原子尺度结构特征与其宏观特性之间的关系。该研究方向对一个领先的大规模第一原理软件套件进行了重大改进，大大降低了对凝聚相系统的计算要求，同时扩展了该套件的功能，以解决军队的问题。

最后，第三个方向是致力于小规模塑性的中尺度建模的新方法，即材料内部位错的运动。这个研究方向导致了一种独特的计算能力的发展，使我们能够将最先进的小规模塑性计算模型与有限元相融合。这种能力允许在有微观结构的情况下对小尺度塑性进行精确建模。

图6 嵌入协议的摘要。(a) 进行MD模拟以产生溶剂配置的平衡集合。(b) 对MD模拟中的单个分子（"活性区域"）进行嵌入CCSD(T)计算，红圈表示。活跃区氧化时产生的电子洞由蓝色电子云表示。附近的分子在B3LYP水平上处理，由蓝色圆圈表示。更远的分子使用点电荷MM模型处理，用棕色圆圈表示。