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在這些課題組中，CEDER課題組最具影響力。在2017年，由于他在應(yīng)用計(jì)算材料設(shè)計(jì)及儲(chǔ)能材料(主要是鋰電池材料)與技術(shù)方面的研究，CEDER當(dāng)選為美國(guó)工程院院士。

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他同PERSSON課題組的materialsproject.org平臺(tái)在世界范圍內(nèi)有很大影響，其對(duì)自身的定位就是成為材料研究領(lǐng)域的谷歌。

Materials Project包含了一個(gè)存儲(chǔ)信息量很大(有近6萬(wàn)個(gè)晶體結(jié)構(gòu))的數(shù)據(jù)庫(kù)，可 以存儲(chǔ)高通量材料性質(zhì)計(jì)算的結(jié)果，例如各種計(jì)算信息，包括能帶態(tài)密度信息，也包括電池材料的充放電曲線、相圖等，所有材料計(jì)算的研究工作者可以在這個(gè)開(kāi)發(fā)的平臺(tái)上下載結(jié)構(gòu)、搜索材料性質(zhì)、查看材料相圖、甚至可以利用這個(gè)網(wǎng)站的平臺(tái)搜索未知的材料。此外這個(gè)網(wǎng)站還開(kāi)放了數(shù)據(jù)庫(kù)接口，利用這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，大家可以使用寫代碼的方式，搜尋篩選材料。

在這樣的工作模式下，材料重復(fù)計(jì)算的次數(shù)被減少了，在做材料計(jì)算的時(shí)候，人為操作的次數(shù)變少，計(jì)算機(jī)智能化的判斷設(shè)計(jì)變多了，材料計(jì)算速度得到了極大的提升。

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CEDER團(tuán)隊(duì)早期主要是利用蒙特卡洛方法計(jì)算有固定晶體結(jié)構(gòu)位點(diǎn)的金屬合金氧化物材料，發(fā)表了許多使用計(jì)算研究金屬合金氧化物中氧原子排布方式的文章。

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接著，CEDER等做了許多關(guān)于鋰電池材料的結(jié)構(gòu)和相的研究，在這些研究工作中，他們使用了一種從冶金學(xué)計(jì)算蒙特卡洛方法發(fā)展而來(lái)的團(tuán)簇展開(kāi)方法：這種方法是使用部分已知的密度泛函計(jì)算結(jié)果，對(duì)體系的總能量進(jìn)行擬合，然后再利用擬合的結(jié)果預(yù)測(cè)未知體系的總能的方法。該方法本身依賴于密度泛函理論計(jì)算，但又使用了一些統(tǒng)計(jì)的概念，加速了普通的密度泛函計(jì)算，也就是一個(gè)類似與現(xiàn)在材料基因組計(jì)算方法的工具。其核心是犧牲一部分精度，換取更快的計(jì)算速度，然后在更快的計(jì)算中進(jìn)行材料的篩選。

從2003年起，CEDER等陸續(xù)發(fā)表了一些含有“數(shù)據(jù)挖掘”、“高通量計(jì)算”等標(biāo)題的論文。可以說(shuō)這是最初的利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)加速傳統(tǒng)材料工業(yè)發(fā)展的材料基因組技術(shù)構(gòu)想萌芽。

就目前而言，該平臺(tái)在發(fā)展材料基因組技術(shù)上相對(duì)領(lǐng)先，他們有成熟的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，有一些較為成熟的材料計(jì)算方法和材料篩選機(jī)理經(jīng)驗(yàn)積累，有許多成熟的研究材料基因組的科研人員，也有在灣區(qū)硅谷旁全世界最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)思想的浸染，并且已經(jīng)在新能源材料領(lǐng)域有了很多相關(guān)的運(yùn)用材料基因組技術(shù)的成功案例。

但其離真正系統(tǒng)性指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，加速實(shí)驗(yàn)，還需要突破很多瓶頸。

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Ceder團(tuán)隊(duì)最新Nature：

Wolverton(OQMD)

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美國(guó)西北大學(xué)材料與機(jī)械教授CHRIS WOLVERTON的研究組是一個(gè)具有交叉學(xué)科的研究組，其成員的背景非常多樣，包括材料、物理、化學(xué)、機(jī)械工程和數(shù)學(xué)。

他們研究的內(nèi)容也非常廣泛，包括電池材料、儲(chǔ)氫材料、太陽(yáng)能材料、熱電材料和機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)挖掘等。

WOLVERTON研究組的計(jì)算資源豐富，有1008個(gè)核的Linux機(jī)群，此外他們還與西北高性能計(jì)算系統(tǒng)合作，有大量機(jī)時(shí)可以使用。

WOLVERTON受到了CEDER的Materials Project啟發(fā)，按照自己的思路于2013年建立了“開(kāi)放量子材料數(shù)據(jù)庫(kù)”(theopen quantum materials database，OQMD)并免費(fèi)在http://oqmd.org/上公開(kāi)。這是一個(gè)基于密度泛函理論(DFT)計(jì)算的材料的熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

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這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)有友好的網(wǎng)絡(luò)界面適合小規(guī)模訪問(wèn)，也提供API接口下載整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。目前該數(shù)據(jù)庫(kù)現(xiàn)在包含471857個(gè)條目，還包括一些全新的結(jié)構(gòu)。OQMD中除了給出材料的晶體結(jié)構(gòu)、能量、空間群、形成能、數(shù)據(jù)來(lái)源、能帶等性質(zhì)之外，清楚的顯示出材料的相圖是該數(shù)據(jù)庫(kù)的一大特色。

此外，該研究組從數(shù)千個(gè)DFT計(jì)算的數(shù)據(jù)庫(kù) (OQMD)中構(gòu)建了機(jī)器學(xué)習(xí)的模型，利用模型可預(yù)測(cè)任意化合物的熱力學(xué)穩(wěn)定性，而不需其它的任何輸入，而且比DFT計(jì)算的時(shí)間少了6個(gè)數(shù)量級(jí)。WOLVERTON等使用該模型掃描了大約160萬(wàn)個(gè)新型三元化合物的候選組合，成功預(yù)測(cè)了4500 種新型的穩(wěn)定材料。

同樣利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，WOLVERTON課題組研究了氧化鋯中摻雜劑穩(wěn)定性的力量驅(qū)動(dòng)機(jī)制問(wèn)題，他們創(chuàng)建一個(gè)聚類排序建模(CRM)自動(dòng)化方法，用于發(fā)現(xiàn)大型性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的強(qiáng)大化學(xué)描述符，并將CRM應(yīng)用于氧化鋯摻雜劑的穩(wěn)定性研究。CRM作為一種通用方法，在實(shí)驗(yàn)和計(jì)算數(shù)據(jù)兩方面都可以進(jìn)行操作，識(shí)別摻雜氧化物的電子結(jié)構(gòu)特征，當(dāng)摻入氧化物溶解在氧化鋯中時(shí)能很好地預(yù)測(cè)氧化物的穩(wěn)定性。

他們還利用一種被稱為元素替換法的高通量計(jì)算方法，用DFT計(jì)算了378種XYZ型(X=Cr、Mn、Fe、Co、Ni、 Ru、Rh，Y=Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni，Z=A1、Ga、 In、Si、Ge、Sn、P、As、Sb)的half-Heusler合金的電子結(jié)構(gòu)、磁性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過(guò)計(jì)算，得到了相圖，預(yù)測(cè)了全新的熱力學(xué)穩(wěn)定相和幾十個(gè)具有負(fù)的形成能的半導(dǎo)體、半金屬和接近半金屬。

應(yīng)該說(shuō)，該研究團(tuán)隊(duì)目前在數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、材料基因組技術(shù)方法開(kāi)發(fā)及應(yīng)用領(lǐng)域均具有一定的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)材料基因組研究進(jìn)展迅速

國(guó)內(nèi)在該方面已經(jīng)開(kāi)展相關(guān)研究的科研單位與院校有上海材料基因工程研究院、中國(guó)科學(xué)院寧波材料基因研究院、北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院、清華大學(xué)深圳研究生院、北京計(jì)算科學(xué)研究中心、南方科技大學(xué)、電子科技大學(xué)等。但與美國(guó)等先進(jìn)國(guó)家存在較大差距，比如缺乏獨(dú)立自主研發(fā)的高通量材料計(jì)算程序、缺乏高通量材料檢測(cè)設(shè)備和較為實(shí)用完備的材料基因數(shù)據(jù)庫(kù)引。

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中國(guó)科學(xué)院物理研究所陳立泉院士團(tuán)隊(duì)在中國(guó)獨(dú)立研究開(kāi)發(fā)和編著了自動(dòng)化高通量計(jì)算方法及軟件平臺(tái)，獲得了著作權(quán)，通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)，能夠?qū)o(wú)機(jī)晶體學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)中30萬(wàn)條數(shù)據(jù)中選擇含鋰材料，通過(guò)快速“鍵價(jià)和”方法及高精度第一性原理分子動(dòng)力學(xué)方法，計(jì)算材料的電子結(jié)構(gòu)、三維離子導(dǎo)電通道、離子遷移活化能，從而建立電解質(zhì)與電極材料的數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)該數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)一步建立數(shù)據(jù)挖掘方法，有利于新的固體電解質(zhì)材料的篩選，該高通量計(jì)算方法已經(jīng)預(yù)測(cè)了一種硫化物電解質(zhì)，并獲得實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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上海材料基因工程研究院在張統(tǒng)一院士的帶領(lǐng)下，在數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、集成計(jì)算與軟件開(kāi)發(fā)、結(jié)構(gòu)與物性表征、服役與失效等基地建設(shè)方面進(jìn)行了大量基礎(chǔ)性工作。

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寧波材料基因工程研究院項(xiàng)曉東研究員(現(xiàn)為南方科技大學(xué)教授)發(fā)展了高通量組合材料實(shí)驗(yàn)及原位實(shí)時(shí)高通量組合材料實(shí)驗(yàn)技術(shù)，包括基于同步輻射大科學(xué)裝置發(fā)展的普適性原位實(shí)時(shí)高通量材料成分/結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，該技術(shù)基于可調(diào)脈沖紅外激光和同步輻射微束白光X射線，可探明涵蓋時(shí)間、溫度、環(huán)境氣氛等工藝參數(shù)的材料結(jié)構(gòu)/成分/工藝/相關(guān)性?；谄渌^(qū)表征探針或譜學(xué)測(cè)試工具，還可發(fā)展一系列功能豐富的原位實(shí)時(shí)高通量表征技術(shù)，從而充分發(fā)揮高通量組合材料制各與表征技術(shù)作為“新材料搜索引擎”的潛力。

2014年其團(tuán)隊(duì)所開(kāi)發(fā)的新一代組合材料芯片技術(shù)使材料的合成和篩選由“一鍋一炒”變?yōu)椤叭f(wàn)鍋同炒”，效率迅速提升1000～100000倍，從而把研發(fā)新材料的時(shí)間最短壓縮至一周。

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吉林大學(xué)馬琰銘教授的團(tuán)隊(duì)依據(jù)化學(xué)組分來(lái)開(kāi)展物質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的相關(guān)理論和模擬方法，并結(jié)合第一性原理計(jì)算和高壓實(shí)驗(yàn)測(cè)量，探索高壓等限域條件下物質(zhì)的新奇物理與化學(xué)性質(zhì)，設(shè)計(jì)并合成新型非常規(guī)高壓相多功能材料，揭示結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，為發(fā)展新的物理理論奠定知識(shí)儲(chǔ)備。基于晶體對(duì)稱性的分類檢索思想，結(jié)合粒子群多目標(biāo)優(yōu)化算法，引入成鍵特征矩陣，研究組提出并發(fā)展了CALYPSO(crystal structural analysis by particle swarm optimization)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CALYPSO結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)程序。CALYPSO軟件包的輸入量是化學(xué)組分和外界條件(如壓力)，通過(guò)結(jié)構(gòu)演化和總能的計(jì)算來(lái)合理確定物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，并可以根據(jù)需要進(jìn)行功能材料(如超硬材料等)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。CALYPSO軟件不僅可以開(kāi)展三維晶體的結(jié)構(gòu)研究，還可以開(kāi)展二維層狀材料和二維表面重構(gòu)以及零維團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)研究，未來(lái)還可以開(kāi)展其它結(jié)構(gòu)現(xiàn)象豐富的熱點(diǎn)研究(如界面、過(guò)渡態(tài)、化學(xué)反應(yīng)等)。

此外在世界其它國(guó)家和地區(qū)，材料基因組研究也在蓬勃發(fā)展。

針對(duì)在高通量計(jì)算中遇到的結(jié)構(gòu)尋找高對(duì)稱點(diǎn)和K點(diǎn)路徑的問(wèn)題，瑞士洛桑的科學(xué)家和日本東京大學(xué)的課題組在materialscloud.org上發(fā)布了一個(gè)關(guān)于尋找結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的軟件，幫助了材料基因組的高通量計(jì)算的研究。在這個(gè)軟件包中，該課題組對(duì)于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性、對(duì)稱操作等性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)地分析，并且以代碼的形式存在。此外，在materialscloud.org網(wǎng)站中，還有許多關(guān)于贗勢(shì)的信息和下載的渠道。雖然這個(gè)網(wǎng)站沒(méi)有直接的材料基因組的工作，但是這些基礎(chǔ)的工作也為材料基因組的工作提供了很好的基礎(chǔ)和平臺(tái)，加速了材料基因組的研究。

在新加坡，涌現(xiàn)出來(lái)了大批量的高通量實(shí)驗(yàn)制備的工作。

新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)的課題組使用MoS_x(2<x<3)與多壁碳納米管復(fù)合，制備出了大于1000 mA·h／g的陽(yáng)極材料。

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新加坡南洋理工大學(xué)的課題組制備 Pt-MoS₂材料中也使用了高通量制備的方法，并在 Nature Communication上發(fā)表論文。

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南洋理工與斯坦福大學(xué)的課題組合作，針對(duì)Sn-Ge合金進(jìn)行了高通量的制備。

在計(jì)算方面，南洋理工的課題組使用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)建模，篩選出了適用于對(duì)一氧化碳催化的材料。

在針對(duì)部分元素在面心立方材料中雜質(zhì)擴(kuò)散和活化能的研究中，新加坡的高性能計(jì)算研究所使用高通量計(jì)算的方法，對(duì)于這類材料的性質(zhì)進(jìn)行了分析。

在日本，材料基因組的研究在各個(gè)材料領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展。

在日本的國(guó)家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所使用材料計(jì)算的方法研究了自然界中不存在但是又能儲(chǔ)存很大熱量的糖醇類的材料。

日本的亞太研究與技術(shù)中心與德國(guó)的弗勞恩霍夫材料力學(xué)研究院合作，使用高通量計(jì)算的方法篩選出了一類永磁體的材料。

可見(jiàn)，在世界各地，都有材料基因組學(xué)的研究，所涉及的范圍不僅僅在傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)晶體材料，也有有機(jī)材料的研究。所使用的方法不僅僅在高通量計(jì)算、高通量篩選方面應(yīng)用廣泛，在高通量實(shí)驗(yàn)制備方面也各有特色。

參考文獻(xiàn)：林海, 鄭家新, 林原, 等. 材料基因組技術(shù)在新能源材料領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)展[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2017, 6(5):990-999.