計算陶瓷學（computational ceramics）

歷史上的大半時間，尋找一種新陶瓷意味著混粉、燒它、然後看跑出什麼。計算陶瓷學提供了一個不同的起點：在你碰爐子之前，先把答案算出來。在電腦上運用物理定律，你可以預測一個化合物到底穩不穩定、它會採用什麼晶體結構、它會導電還是絕緣、它的鍵有多強——這一切都源自它原子與電子的排列，在製造出哪怕一克之前就能得知。

主力是密度泛函理論（density functional theory，DFT）。它是一種聰明的辦法，能近似求解晶體中眾多相互作用電子的量子力學問題，給出任何原子排列的總能量。從這一個數字——在不同結構上反覆計算——你就能萃取出晶格參數、生成能（這化合物穩定嗎，還是會分解？）、點缺陷與摻雜的能量（餵給缺陷化學的克羅格-芬克記帳）、彈性剛度常數、以及主宰熱傳導的聲子譜。分子動力學為擴散與熔化補足，相場（phase-field）模型描述顯微組織如何演化，CALPHAD 熱力學建模給出相圖。它們合起來讓你在電腦裡篩選數百種候選組成。

計算陶瓷學之所以重要，是因為它把發現從盲目搜尋變成有引導的設計，從根本上解釋缺陷與摻雜化學，並填滿了驅動整個材料基因組工程的開放資料庫。要老實面對它做不到的事。DFT 是近似的：它處理電子交換與相關的方式並不完美，標準近似會低估能隙，而強關聯氧化物需要特別的修正。更根本地，這些計算描述的是完美、平衡的晶體——但真實陶瓷是多晶、充滿瑕疵、且遠離平衡而被動力學困住的。算出的「理想強度」比你量到的、受格里菲斯限制的強度高上百倍。計算是強有力的嚮導，卻是實驗的拙劣替代品。