新方法能加速尋找新材料

美國(guó)斯坦福大學(xué)和能源部國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室(SLAC)科學(xué)家提出了一種用于評(píng)估計(jì)算中不確定性的方法，可廣泛用于工業(yè)、電子、能源、藥物設(shè)計(jì)及其他眾多領(lǐng)域，加快這些領(lǐng)域開發(fā)新材料的速度。研究人員認(rèn)為，該方法有望很快得到應(yīng)用，成為材料研究中的基本工具。相關(guān)論文發(fā)表在 7月 11日的《科學(xué)》雜志上。

本研究針對(duì)的算法稱為密度泛函理論(DFT)，是根據(jù)量子力學(xué)法則來(lái)預(yù)測(cè)原子之間的鍵能，讓科學(xué)家能預(yù)測(cè)上百種分子和材料的屬性，比如復(fù)合物的電子結(jié)構(gòu)、密度、硬度、光學(xué)性質(zhì)、反應(yīng)性等。通常用于評(píng)價(jià)DFT可靠性的方法是把實(shí)驗(yàn)值和理論預(yù)測(cè)相比較。研究人員用了一種交換相關(guān)密度泛函理論，是專用于表面化學(xué)的，以檢查全體函數(shù)不確定性。

“過去10年來(lái)，我們計(jì)算材料和化學(xué)品屬性(反應(yīng)性、機(jī)械強(qiáng)度等)的能力有了很大提高。”負(fù)責(zé)該研究的SLAC教授、SUNCAT界面科學(xué)與催化中心主管詹斯·諾斯科夫說(shuō)，“研究人員越來(lái)越多地用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)預(yù)測(cè)，哪種材料有我們想要的屬性，這一過程叫做‘材料設(shè)計(jì)’。但在這些計(jì)算中，誤差的概率至為關(guān)鍵，它能告訴我們，計(jì)算結(jié)果的可信度有多大。”

諾斯科夫和同事是開發(fā)這種方法的先驅(qū)。在論文中，他們用這種方法來(lái)尋找更好、更廉價(jià)的催化劑，以提高氨合成法的速度。而這一方法也能廣泛用于所有類型的科學(xué)研究，加速材料設(shè)計(jì)周期。

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng) 7月 11日(北京時(shí)間)報(bào)道，為了估計(jì)誤差大小，他們采用了統(tǒng)計(jì)學(xué)方法：把每種屬性都計(jì)算數(shù)千次，每次調(diào)整一個(gè)變量以產(chǎn)生輕微不同的結(jié)果，結(jié)果中的差異就代表了誤差可能范圍。每一種運(yùn)算得到的材料屬性，都可能填補(bǔ)一個(gè)很大的空白。論文第一作者、SUNCAT研究生安德魯·邁德福德說(shuō)，比如在合成氨中，基于計(jì)算的可信度，我們預(yù)測(cè)釕是一種比鈷或鎳更好的催化劑。

并未參與本研究的加州大學(xué)歐文分校化學(xué)與物理學(xué)教授基倫·伯克說(shuō)：“去年大約有3萬(wàn)份已發(fā)表論文用到了DFT方法。我相信在短期內(nèi)，對(duì)所有領(lǐng)域的這種計(jì)算來(lái)說(shuō)，他們開發(fā)的評(píng)估技術(shù)都會(huì)變得必不可少。”