材料是工业的基础。利用物理原理、超算技术和大数据方法对材料性质进行计算机模拟，可以预测新材料的性质，节约实验资源，加快材料的开发进程，是目前各国的研究重点，涉及多种前沿问题。它对科学研究、工程设计和国防建设具有积极的作用。

    现有计算机模拟方法，分为电子尺度、原子尺度、介观尺度和宏观尺度等。将不同尺度的计算方法结合起来，发展多尺度计算方法，是现代计算材料学的热点和前沿问题。

    相场方法属于介观尺度，是计算材料微观组织及宏观性质的重要方法。由于处在中间位置，因此，它可以与微观尺度的第一性原理和宏观尺度的有限元方法结合，构造多尺度计算模型。

    相场方法起源于朗道的二级相变理论，在上世纪80年代初，美国的哈恰图良建立了固体中的微弹性理论并发展了一套相场计算方法之后，相场在固体材料中的应用得以加速发展，被应用到越来越多的体系中，并获得了与工程测量可比拟的结果，逐渐为材料科学家所认同，现已成为一种重要的材料计算方法。

    2000年，北京科技大学物理系教授、博士生导师马星桥在香港攻读博士期间开始接触相场方法，计算核结构材料锆合金中氢化物在非均匀应力场中的析出形貌。他们的结果定性很好，定量上很难准确。主要是锆中氢的溶解度往往在几十ppm（10-6）量级，这在计算时常被作为积累误差而忽略，相场定量计算的另一个障碍是传统的相场方法自由能中采取朗道多项式，要通过拟合实验数据得到其系数值，几乎不可能得到ppm量级浓度时的朗道系数。

    回到学校后，马星桥开始了相场方法中其他方向的研究，但这个问题一直在他的思考范围之中。近年来，他指导研究生施小明通过采用建立反应扩散方程，并结合速率理论，建立了一个相场模型，其中的朗道多项式改为采用数字化势表的方法。这个模型可以计算浓度低到ppm量级杂质缺陷带来的性质改变，使极低浓度下的相场计算方法获得突破。

    2003年起，相场方法在磁学领域的应用开始得到关注。

    比如，铁磁性形状记忆合金NiMnGa具有巨大的磁致应变，在传感器和执行器等方面有潜在应用价值，是实验上的研究热点。

    理论上，这是一个铁磁性和铁弹性的多铁体系，用微磁学方法无法计算。他们用相场模拟了该系统的超弹性和赝塑性，用磁畴和马氏体变体的演化解释了其变化机理。

    2006年，实验上发现了重要的NiCoMnIn合金体系，该合金可以用磁场驱动相变，从而引起熵的变化。这引发了人们利用这类合金作为磁制冷材料的期盼。

    他们针对此系统建立了热力学模型，在此基础上建立了相场模型，最终结合第一性原理与相场模型，建立了一个不需要试验参数就可计算体系宏观性质及畴结构的的多尺度模型。还运用相场方法研究了自旋电子学中电流驱动磁矩翻转和进动现象，前者可用于制作磁性随机存储器（MRAM），后者可制作纳米振荡器。这两者在信息产业中均可具有重要的应用。

    除此之外，马星桥指导博士研究生还用相场方法对其他体系的性质，如超导体系等进行了研究，并利用了GPU高效并行计算的方法，与串行算法相比，速度提高几十倍。