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Nature Reviews Materials.: 結(jié)構(gòu)預(yù)測推動(dòng)新材料的發(fā)現(xiàn)

2019-04-28 10:34:18 作者：我亦是行人編譯來源：材料人分享至：

【背景介紹】

過去，新材料的發(fā)現(xiàn)主要通過實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)或偶然性的發(fā)現(xiàn)，這兩者都需要花費(fèi)大量人力物力以及完成那些極具挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)。近十年來，利用計(jì)算系統(tǒng)地發(fā)現(xiàn)新材料已經(jīng)成為了可能，而晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測（CSP）方法的發(fā)展為這一突破鋪平了道路。而基于量子力學(xué)的晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測方法的發(fā)展，則加速了新材料發(fā)現(xiàn)。材料的性能常取決于它的結(jié)構(gòu)，因此，結(jié)構(gòu)預(yù)測是計(jì)算發(fā)現(xiàn)新材料的關(guān)鍵。目前，常采用兩種互補(bǔ)的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)預(yù)測：一種是基于現(xiàn)有知識(shí)和晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘；另一種則基于強(qiáng)大的探索性的計(jì)算機(jī)算法，其能夠在很少或沒有預(yù)存知識(shí)的情況下進(jìn)行預(yù)測。因此，新計(jì)算工具的發(fā)展使得許多新的和越來越復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)得以預(yù)測。這些基于全局優(yōu)化的、很少或沒有經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的、廣泛適用的預(yù)測方法，已被用于研究晶體結(jié)構(gòu)，點(diǎn)缺陷，表面和界面。

【成果簡介】

最近，俄羅斯斯科爾科沃研究院Artem R. Oganov教授團(tuán)隊(duì)綜述了結(jié)構(gòu)預(yù)測方法以及利用這些方法發(fā)現(xiàn)新材料的最新研究進(jìn)展。作者首先討論了結(jié)構(gòu)預(yù)測方法，以及對研究不同材料系統(tǒng)的潛力。其中，作者著重關(guān)注和考察了基于強(qiáng)大探索算法的、可靠的非經(jīng)驗(yàn)方法，并提供了通過這些理論計(jì)算方法發(fā)現(xiàn)新材料（包括超硬材料，超導(dǎo)體和有機(jī)材料）的實(shí)例。最后，作者展望了該領(lǐng)域的前景，總結(jié)了需要克服包括大系統(tǒng)使用，無序結(jié)構(gòu)和溫度的考量，可制備亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)及化學(xué)性質(zhì)預(yù)測等方面的挑戰(zhàn)。相關(guān)成果以“Structure prediction drives materials discovery”發(fā)表于Nature Reviews Materials.期刊上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖一、材料空間的繪制

（a）晶體Au8Pd4的能量圖，顯示低能量結(jié)構(gòu)如何在一個(gè)區(qū)域聚集；

（b）SinOm納米粒子的穩(wěn)定性圖，脊和島表明是穩(wěn)定的，海洋表明不穩(wěn)定的；

（c）超導(dǎo)材料統(tǒng)計(jì)圖。

圖二、用晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測方法進(jìn)行的綜合預(yù)測

（a）在不同壓力下，二元Na-Cl系統(tǒng)的凸殼。

（b）在500 GPa下，三元Mg-Si-O系統(tǒng)的凸殼。淺藍(lán)色符號表示亞穩(wěn)態(tài)組分樣本，圓圈表示穩(wěn)定相；

（c）NaCl3化合物的結(jié)構(gòu)，具有電子局域函數(shù)的等值面（值從藍(lán)色變?yōu)榧t色）；

（d）化合物Na2He的結(jié)構(gòu)，具有電子局域函數(shù)的間隙最大值，其在空立方體內(nèi)顯示為紅色物體。

圖三、晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測在塊狀晶體以外的系統(tǒng)中的應(yīng)用

（a）單層冰在橫向壓力和有限寬度時(shí)的相圖；

（b）Cu-5（210）[001]晶界相的進(jìn)化搜索和聚類分析；

圖四、超導(dǎo)材料

（a）金屬氫化物超導(dǎo)體的超導(dǎo)臨界溫度（Tc）計(jì)算值匯總，顯示了兩個(gè)明顯的高Tc超導(dǎo)體成形金屬帶；

（b）一些預(yù)測表明是代表性高溫的超導(dǎo)體金屬氫化物結(jié)構(gòu)。常規(guī)的高溫超導(dǎo)體錒系氫化物AcH10，AcH12，AcH16。

【小結(jié)】

綜上所述，在過去的十年里，許多基于第一性原理結(jié)構(gòu)預(yù)測的成功例子表明，這些技術(shù)已經(jīng)成為材料結(jié)構(gòu)研究的核心，并開始成為材料發(fā)現(xiàn)的重要工具。因此，作者著重關(guān)注了基于計(jì)算的結(jié)構(gòu)預(yù)測推動(dòng)新材料發(fā)現(xiàn)的方法。同時(shí)，作者又補(bǔ)充了數(shù)據(jù)挖掘的方法，將這兩種方法有效地結(jié)合起來，比如：利用已知的結(jié)構(gòu)類型創(chuàng)建一個(gè)用于進(jìn)化搜索的初始晶體結(jié)構(gòu)群；用類似于Barnighausen樹的群-子群關(guān)系以生成大多數(shù)已知的結(jié)構(gòu)以及無數(shù)合理的新結(jié)構(gòu)；依靠拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成器來創(chuàng)建初始種群能顯著加快進(jìn)化結(jié)構(gòu)的預(yù)測；通過全局優(yōu)化發(fā)現(xiàn)全新的晶體結(jié)構(gòu)和化合物等都能夠使得更新更復(fù)雜材料結(jié)構(gòu)得以預(yù)測。盡管這些新預(yù)測的化合物隨后通過實(shí)驗(yàn)大都得到了證實(shí)，并且可以將這些案例再投進(jìn)數(shù)據(jù)庫中。然而，結(jié)構(gòu)預(yù)測仍面臨著許多挑戰(zhàn)，包括處理大型系統(tǒng)的難度，無序結(jié)構(gòu)和溫度、可制備亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)及化學(xué)性質(zhì)預(yù)測等等。但作者認(rèn)為，新思想和新方法的急速發(fā)展，以及大量可獲得的新型計(jì)算資源，比如：許多從頭算法代碼已經(jīng)移植到圖形處理單元、虛擬機(jī)技術(shù)幾乎可以在任何架構(gòu)使用等等都會(huì)促進(jìn)更多復(fù)雜、精細(xì)結(jié)構(gòu)的預(yù)測，從而推動(dòng)新材料發(fā)現(xiàn)。

文獻(xiàn)鏈接：Structure prediction drives materials discovery（Nature Reviews Materials.2019, DOI：https://doi.org/10.1038/s41578-019-0101-8）

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