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研究背景

非晶材料是指沒有長程有序結(jié)構(gòu)的固體，因其在光電電子學(xué)、催化、電池等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而引起了越來越多的關(guān)注。與傳統(tǒng)的晶體材料相比，非晶材料具有優(yōu)異的性能，例如高容缺性、優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性和更低的介電常數(shù)等，這使得它們在高性能電子器件、能量存儲和傳感器等方面表現(xiàn)出巨大的潛力。然而，非晶材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使得其表征與設(shè)計(jì)面臨巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)方法多集中于有序晶體結(jié)構(gòu)，而非晶材料由于沒有晶格對稱性，難以用標(biāo)準(zhǔn)的晶體結(jié)構(gòu)模型描述，這導(dǎo)致了其理論研究和實(shí)驗(yàn)合成的困難。

成果簡介

近日，牛津大學(xué)Yuanbin Liu（一作），Volker L. Deringer、Lena Simine等攜手在Nature Reviews Materials期刊上發(fā)表了題為“The amorphous state as a frontier in computational materials design”的最新觀點(diǎn)論文。來自材料科學(xué)領(lǐng)域的研究團(tuán)隊(duì)在非晶材料的計(jì)算設(shè)計(jì)方面取得了重要進(jìn)展。

該團(tuán)隊(duì)結(jié)合人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)，通過先進(jìn)的計(jì)算建模方法，成功建立了原子尺度結(jié)構(gòu)與宏觀功能之間的關(guān)聯(lián)模型。研究人員指出，通過將物理基礎(chǔ)建模與人工智能相結(jié)合，可以更精確地預(yù)測非晶材料的結(jié)構(gòu)特性與性能。這一方法的應(yīng)用不僅有效地突破了傳統(tǒng)計(jì)算方法在模擬非晶材料時(shí)面臨的瓶頸，還為非晶材料的合成與應(yīng)用提供了全新的思路。

在該研究中，團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)了一種新的非晶電池電極材料，憑借其無序結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出比傳統(tǒng)晶體電極材料更高的容量和更優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性。這一成果標(biāo)志著非晶功能材料的計(jì)算設(shè)計(jì)向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用邁出了重要的一步，為今后非晶材料的快速發(fā)現(xiàn)和功能化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。該研究還展示了人工智能在材料設(shè)計(jì)中的潛力，預(yù)示著未來非晶材料在多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

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觀點(diǎn)亮點(diǎn)

（1）本文認(rèn)為非晶固體的計(jì)算設(shè)計(jì)是材料研究中的新興且具有巨大潛力的前沿領(lǐng)域。盡管傳統(tǒng)上，材料設(shè)計(jì)主要集中在有序晶體材料上，但隨著計(jì)算建模和人工智能（AI）技術(shù)的進(jìn)步，非晶材料的“按設(shè)計(jì)”合成已變得可能。計(jì)算方法和人工智能能夠提供原子尺度結(jié)構(gòu)、微觀性質(zhì)與宏觀功能之間的聯(lián)系，從而推動非晶功能材料的設(shè)計(jì)。

（2）實(shí)驗(yàn)討論了目前在非晶固體領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)，如非晶材料缺乏晶體的平移對稱性，導(dǎo)致其表征困難。DFT計(jì)算方法的高計(jì)算成本使得對非晶材料的模擬存在局限，且難以捕捉納米尺度異質(zhì)性。盡管如此，最近的研究顯示，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)方法正在為解決這些問題提供新的思路和方法。通過AI驅(qū)動的計(jì)算設(shè)計(jì)，可以加速非晶材料的發(fā)現(xiàn)與優(yōu)化，尤其是在光電電子學(xué)、電池技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

（3）此外，文章還討論了非晶材料在合成和制造中的特殊挑戰(zhàn)，特別是如何避免非晶材料在實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。針對這些問題，研究者提出了新型的實(shí)驗(yàn)合成路線，并建議結(jié)合物理建模和人工智能，克服這些障礙?？偟膩碚f，計(jì)算設(shè)計(jì)和AI的結(jié)合將為非晶材料的開發(fā)提供新的機(jī)遇，并為未來的實(shí)驗(yàn)合成提供重要的理論指導(dǎo)。

圖文解讀

圖1:用于新興技術(shù)的非晶材料。

圖2: 模擬非晶材料的結(jié)構(gòu)。

圖3: 預(yù)測非晶材料的性能。

圖4: 非晶材料設(shè)計(jì)的閉環(huán)視圖。

結(jié)論展望

隨著人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)的不斷發(fā)展，非晶材料的計(jì)算設(shè)計(jì)迎來了前所未有的機(jī)遇。通過結(jié)合物理建模與AI驅(qū)動的方法，我們可以突破傳統(tǒng)的研究瓶頸，探索和設(shè)計(jì)出具備特定功能的非晶材料。這一進(jìn)展不僅能加速新材料的發(fā)現(xiàn)，還能幫助我們更深入地理解非晶材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和性能。

然而，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，仍面臨諸多挑戰(zhàn)，尤其是數(shù)據(jù)的稀缺性和高效的機(jī)器學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練問題。此外，非晶材料的合成與表征技術(shù)仍需進(jìn)一步完善，尤其是如何確保實(shí)驗(yàn)室合成的可重復(fù)性和高效的自動化表征。盡管如此，隨著數(shù)據(jù)庫建設(shè)的推進(jìn)和自動化合成技術(shù)的發(fā)展，非晶材料的設(shè)計(jì)將越來越趨向精準(zhǔn)化與高效化。

未來，跨學(xué)科的合作將是推動這一領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵，尤其是在AI、材料學(xué)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的深度融合下，非晶材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用將為能源、電子、催化等多個(gè)領(lǐng)域帶來革命性的突破，促進(jìn)材料科學(xué)的創(chuàng)新與進(jìn)步。

文獻(xiàn)信息

Liu, Y., Madanchi, A., Anker, A.S. et al. The amorphous state as a frontier in computational materials design. Nat Rev Mater (2024).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/12/27/15e465f48b/

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