材料基因組計(jì)劃與第一性原理高通量計(jì)算

范曉麗

(西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，陜西 西安 710072)

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材料基因組計(jì)劃與第一性原理高通量計(jì)算

范曉麗

(西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，陜西 西安 710072)

摘要：介紹了材料基因組計(jì)劃的目標(biāo)與核心思想，討論了材料基因的來源與定義。雖然材料基因和計(jì)算材料都不是新事物，但兩者均是材料基因組計(jì)劃的核心要素，是加快新材料發(fā)展的關(guān)鍵。集成計(jì)算材料工程是材料基因組計(jì)劃的基本要素，集合原子、微觀、介觀和宏觀尺度計(jì)算工具的材料集成計(jì)算在新材料設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、環(huán)境響應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用。通過幾個(gè)研究項(xiàng)目，介紹了第一性原理計(jì)算在新材料設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用，展示了高通量計(jì)算篩選新材料的強(qiáng)大功能。不僅如此，高通量計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)合將促進(jìn)對(duì)材料物性的認(rèn)識(shí)和材料基因組數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，為新材料設(shè)計(jì)提供有益信息。實(shí)施材料基因組計(jì)劃，認(rèn)識(shí)并建立材料結(jié)構(gòu)與屬性之間演化規(guī)律與新材料發(fā)現(xiàn)同等重要。此外，材料基因組計(jì)劃還旨在變革材料研發(fā)理念與模式，在材料研發(fā)的全周期過程中采用交互、連續(xù)的流程模式，開發(fā)并集成計(jì)算工具、實(shí)驗(yàn)工具、數(shù)據(jù)信息三大基礎(chǔ)構(gòu)架模塊。

關(guān)鍵詞：材料基因；集成計(jì)算材料；第一性原理計(jì)算；高通量材料計(jì)算

1前言

為了使新材料從發(fā)現(xiàn)到市場(chǎng)應(yīng)用的速度快兩倍，2011年6月美國總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動(dòng)材料基因組計(jì)劃(Materials Genome Initiative, MGI)[1]，該計(jì)劃是美國先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系的一部分，是振興美國制造業(yè)的主要舉措。

先進(jìn)材料是科技創(chuàng)新、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和提高全球競(jìng)爭力的核心。材料基因組計(jì)劃強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)設(shè)施的興建和開放合作方式的培育，以此加快先進(jìn)材料的發(fā)展及市場(chǎng)化速度。材料基因組計(jì)劃重點(diǎn)發(fā)展的先進(jìn)材料包括清潔能源、人類福利和國家安全以及下一代生產(chǎn)力4個(gè)方面，它們是新生產(chǎn)力、新工具和新技術(shù)的基礎(chǔ)。材料基因組計(jì)劃的內(nèi)容可用圖1概括。中心是材料革新的基礎(chǔ)構(gòu)架，包括計(jì)算工具、實(shí)驗(yàn)工具、數(shù)據(jù)庫三大模塊，表示為相互交叉重疊的3個(gè)圓；3個(gè)圓的交叉重疊代表合作網(wǎng)絡(luò)，整體體現(xiàn)獨(dú)立開放的合作方式。三大模塊整合集成并與產(chǎn)品設(shè)計(jì)框架無縫結(jié)合，將形成快速、整體的工程設(shè)計(jì)，使制造業(yè)更具競(jìng)爭力。計(jì)算工具在三大模塊中處于主導(dǎo)地位，是材料基因組計(jì)劃的核心要素。圖的外圈表示MGI實(shí)施的重點(diǎn)對(duì)象，即當(dāng)前社會(huì)4個(gè)需求方面的先進(jìn)材料。

圖1　材料基因組計(jì)劃概述[1]Fig.1　Initiative overview[1]

在美國材料基因組計(jì)劃宣布后，我國材料界也積極行動(dòng)起來，陸續(xù)召開了多次相關(guān)研討會(huì)，爭取在新一輪材料革命性發(fā)展中占得先機(jī)。2014年9月21日，“2014新材料國際發(fā)展趨勢(shì)高層論壇—材料基因組計(jì)劃研究進(jìn)展論壇”在西安舉行，300余人的會(huì)場(chǎng)座無虛席。在20日的論壇大會(huì)報(bào)告中，中國版材料基因組計(jì)劃項(xiàng)目組組長陳立泉院士介紹了我國開展MGI的重要性和緊迫性，并提出了開展中國版材料基因組計(jì)劃的具體建議。材料基因組分論壇邀請(qǐng)了張統(tǒng)一院士、崔俊芝院士等9位報(bào)告人作了精彩報(bào)告，張統(tǒng)一院士的報(bào)告《上海大學(xué)材料基因組研究進(jìn)展》，從材料研究的規(guī)劃、組織和實(shí)施諸方面較為系統(tǒng)地介紹了上海大學(xué)材料基因組研究的進(jìn)展以及剛剛成立的上海大學(xué)材料基因組研究院的建院思路。崔俊芝院士在其《新材料研發(fā)的集成化信息平臺(tái)》報(bào)告中指出，集成化信息技術(shù)是支撐“材料基因工程”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。項(xiàng)曉東研究員的報(bào)告介紹了高通量組合材料實(shí)驗(yàn)與原位實(shí)時(shí)高通量組合材料實(shí)驗(yàn)技術(shù)的需求與發(fā)展現(xiàn)狀。向勇、劉興軍、施思齊、陳亮、肖睿娟、劉利民等學(xué)者分別介紹了第一性原理、相圖計(jì)算、相場(chǎng)模擬方法以及多尺度計(jì)算模擬在新型高溫合金、鋰離子電池材料、鋰離子電池固體電解質(zhì)材料篩選、光催化材料等先進(jìn)功能材料的設(shè)計(jì)與研發(fā)方面的工作進(jìn)展，闡明材料計(jì)算在新材料開發(fā)中的應(yīng)用，以及計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的相輔相成、相互促進(jìn)的關(guān)系，進(jìn)一步深化了材料設(shè)計(jì)的理念。

本文將介紹材料基因組計(jì)劃的目標(biāo)、核心思想、材料基因的概念與集成計(jì)算材料工程?；谟?jì)算材料在新材料研發(fā)模式中的主導(dǎo)地位及其在材料基因組計(jì)劃實(shí)施過程中的核心作用，筆者結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)探討了第一性原理計(jì)算和高通量計(jì)算在新材料設(shè)計(jì)和篩選方面的應(yīng)用。

2材料基因組計(jì)劃的目標(biāo)與核心思想

材料從發(fā)現(xiàn)到產(chǎn)品化一般經(jīng)過7個(gè)步驟：發(fā)現(xiàn)-發(fā)展-優(yōu)化-系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成-證書-制造-應(yīng)用。以今天的速度，一種新材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用需要10～20 a的時(shí)間，MGI計(jì)劃的目標(biāo)是將材料從發(fā)現(xiàn)到市場(chǎng)的周期縮短一半。以往的材料研究大多采用嘗試和改錯(cuò)的方法，即“炒菜”模式。MGI的做法是將傳統(tǒng)的研發(fā)-產(chǎn)品的過程反轉(zhuǎn)過來，從應(yīng)用需求出發(fā)，倒推出符合相應(yīng)功能材料的成分和結(jié)構(gòu)。同時(shí)用交互、連續(xù)的流程替代傳統(tǒng)試錯(cuò)法中的線性、分離流程，逐步由“經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)”向“理論預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的新研究模式轉(zhuǎn)變(如圖2所示)。MGI將顯著縮短學(xué)術(shù)研究和工業(yè)生產(chǎn)之間的間隙。

圖2　材料全周期加速設(shè)計(jì)[1]Fig.2　Initiative acceleration of the materials continuum[1]

材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用的7個(gè)步驟可以分為兩個(gè)階段，第一階段是材料工程階段，涉及材料的發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化、發(fā)展；第二階段是產(chǎn)品工程階段,涉及產(chǎn)品各部分的設(shè)計(jì)組合。材料發(fā)現(xiàn)-優(yōu)化-發(fā)展需要10 a以上的時(shí)間，產(chǎn)品各部分的設(shè)計(jì)組合需要的時(shí)間少于2 a。因此，要實(shí)現(xiàn)材料從發(fā)現(xiàn)到市場(chǎng)化的周期縮短一半，主要工作應(yīng)集中在第一階段的材料工程上，大力提高材料發(fā)展的速度。

當(dāng)前人類社會(huì)所需的先進(jìn)材料涉及多組分和多相結(jié)構(gòu)，成分結(jié)構(gòu)復(fù)雜。沒有精確的模型、充分的信息和數(shù)據(jù)交流，只用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法來發(fā)展下一代材料將是一個(gè)艱難耗時(shí)的過程。為了探尋先進(jìn)的材料設(shè)計(jì)能力以提升新材料發(fā)展的速度并降低成本，MGI強(qiáng)調(diào)材料革新基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，這些設(shè)施包括計(jì)算工具、實(shí)驗(yàn)工具、數(shù)據(jù)信息，以及開放的合作關(guān)系和網(wǎng)絡(luò)。這些模塊經(jīng)過開發(fā)及整合集成，應(yīng)用于材料從發(fā)現(xiàn)到市場(chǎng)的整個(gè)周期中，全過程充分發(fā)揮合作關(guān)系和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的作用(圖2)。MGI材料研發(fā)模式不同于以往的研究模式，計(jì)算從輔助驗(yàn)證工具變?yōu)槲挥谥鲗?dǎo)地位的指導(dǎo)工具。MGI強(qiáng)調(diào)了計(jì)算材料在開始的材料設(shè)計(jì)以及后期通往應(yīng)用的每個(gè)步驟中的指導(dǎo)作用，徹底顛覆以往試錯(cuò)方法。實(shí)際上，計(jì)算機(jī)指導(dǎo)材料研究并不是一個(gè)新的話題，早在1991就有相關(guān)專著出版(《材料科學(xué)中的計(jì)算機(jī)模擬》)。MGI計(jì)劃最直接的作用是使得依據(jù)計(jì)算能力以及相稱的建模與模擬能力的增長創(chuàng)造新材料成為可能。

3材料基因與集成計(jì)算材料

材料基因(Materials Genome)這個(gè)詞是美國濱州大學(xué)的劉梓葵教授在2002年創(chuàng)立材料基因組公司(www.materialsgeonom.com)時(shí)創(chuàng)造的[2]，來源于相圖計(jì)算方法CALPHAD (CALculation of PHAse Diagram, CALPHAD)[3]的成功應(yīng)用和人類基因組計(jì)劃所帶來的靈感，后經(jīng)材料基因組公司和白宮科學(xué)技術(shù)政策辦公室雙方同意，2011年6月，材料基因這個(gè)詞被“材料基因組計(jì)劃”采用。

人類基因是指人體中攜帶遺傳信息的脫氧核糖核酸(Deoxyribonucleic Acid, DNA)片斷，是控制人體性狀的基本遺傳單位。在材料基因組計(jì)劃中材料基因并沒有被精確定義：“基因組是一組以DNA為語言編碼的信息，它描繪了有機(jī)體生長和發(fā)育的藍(lán)圖，當(dāng)把基因組這個(gè)詞應(yīng)用在非生物領(lǐng)域時(shí)，意味著面向更大目標(biāo)的基礎(chǔ)性構(gòu)造單元[1]”。人類基因組計(jì)劃旨在通過對(duì)人類DNA中30億個(gè)化學(xué)基元對(duì)(堿基對(duì))的測(cè)序，發(fā)現(xiàn)人類基因組中所有基因的結(jié)構(gòu)，建立DNA排序和人體機(jī)能性狀之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)分子水平上了解人類自身。材料基因組計(jì)劃與人類基因組計(jì)劃最大的相似點(diǎn)是兩者都是從研究對(duì)象的最基本組份出發(fā)，試圖了解“人”和“材料”，從而達(dá)到有目的地創(chuàng)造生物或者新材料的目的。

不同晶體結(jié)構(gòu)單個(gè)相的吉布斯自由能和原子遷移率是溫度、成分和壓力的函數(shù)，Kaufman和Bernstein[3]認(rèn)為多組元材料熱力學(xué)的基本元素是單個(gè)相在完整的溫度、壓力和成分空間內(nèi)的自由能函數(shù)。目前多組元材料的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫均以單個(gè)相作為基本組成模塊。CALPHAD方法結(jié)合各組成相的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫以及物理性質(zhì)，得到的單個(gè)相和相界面的性質(zhì)可以作為相場(chǎng)法模擬的輸入?yún)?shù)來模擬微結(jié)構(gòu)演化，相場(chǎng)法模擬得到的材料微結(jié)構(gòu)和相與相界面的性質(zhì)進(jìn)一步輸入到有限元分析工具，以此來模擬材料的平衡狀態(tài)以及對(duì)外界環(huán)境的響應(yīng)。因此，單個(gè)相可以被認(rèn)為是建立材料結(jié)構(gòu)和性能之間關(guān)系規(guī)律、設(shè)計(jì)材料結(jié)構(gòu)和性能的基本組成模塊[4]，但是，研究發(fā)現(xiàn)特定晶體結(jié)構(gòu)相的內(nèi)在構(gòu)型，比如自旋方向和分布隨著電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度和應(yīng)力等外界條件而改變[5-6]。所以，科學(xué)家認(rèn)為這些更加微觀的內(nèi)部構(gòu)型(單個(gè)組態(tài))[7-9]應(yīng)作為單個(gè)相的基本組成模塊，即被看作單個(gè)相的基因組[10]。原子尺度計(jì)算的電子結(jié)構(gòu)和總能量相關(guān)的數(shù)據(jù)作為單個(gè)相內(nèi)部構(gòu)型的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，有助于確定實(shí)驗(yàn)難以精確測(cè)量的材料性質(zhì)，如圖3所示。

圖3　CALPHAD計(jì)算微觀結(jié)構(gòu)的框架圖[4]Fig.3　Frame diagram of CALPHAD calculating microscopic structure[4]

材料基因組計(jì)劃目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于提升第一階段材料發(fā)展的速度。材料的4個(gè)基本要素包括合成制備、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、服役性能，他們之間既相互獨(dú)立又彼此關(guān)聯(lián)，通常被表示為四面體的四個(gè)頂點(diǎn)。發(fā)展?jié)M足一定應(yīng)用需求的材料，應(yīng)從相應(yīng)的服役性能出發(fā)，反式設(shè)計(jì)出材料的結(jié)構(gòu)成分、合成方法和制備工藝。與反式工程設(shè)計(jì)過程相反，材料物性計(jì)算研究分為4個(gè)階段：第一性原理計(jì)算、相圖計(jì)算、相場(chǎng)模擬和有限元分析。由此獲得熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、晶體結(jié)構(gòu)和缺陷相關(guān)的性質(zhì)，以及對(duì)服役環(huán)境的響應(yīng)。 前者致力于新材料的探索設(shè)計(jì)，從目標(biāo)功能出發(fā)有目的地評(píng)估侯選材料組元，設(shè)計(jì)具備特定性質(zhì)的材料。后者通過研究眾多的材料組元，搜集有用的信息，尋找和建立材料原子結(jié)構(gòu)-微觀組織-宏觀性能之間的聯(lián)系。人類DNA的排列決定人體的主要機(jī)能性狀，材料原子排列以及內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)與外界環(huán)境共同決定材料的組織和性能。材料基因組計(jì)劃中，反式工程設(shè)計(jì)理念和材料物性研究同等重要，兩者有機(jī)結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)材料基因組計(jì)劃目標(biāo)。

材料基因組計(jì)劃提出建立更強(qiáng)的計(jì)算工具，創(chuàng)建更強(qiáng)的數(shù)據(jù)共享、管理和分析平臺(tái)，這套全新的基礎(chǔ)設(shè)施將為科學(xué)家和工程師們研究和創(chuàng)造新材料提供豐富的數(shù)據(jù)和信息。集成計(jì)算材料工程(Integrated Computational Materials Engineering, ICME)是材料基因組計(jì)劃最基本的組成部分，其將通過計(jì)算工具所獲得的材料信息與產(chǎn)品性能分析和制造工藝模擬集成在一起，目的在于設(shè)計(jì)新材料，或者在已有的材料上做改變以滿足設(shè)計(jì)的需要。ICME的主要構(gòu)建模塊包括第一性原理、材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)、材料加工與性能的模擬工具。ICME通過材料模擬和開發(fā)設(shè)計(jì)之間的動(dòng)態(tài)鏈接，盡可能發(fā)掘新材料的潛能,通過對(duì)制造工藝系統(tǒng)的每一部分進(jìn)行優(yōu)化，以提高產(chǎn)品零部件性能與質(zhì)量穩(wěn)定性、縮短開發(fā)周期、降低成本。集成計(jì)算材料工程涉及方法、應(yīng)用、服務(wù)3個(gè)層面。微觀、介觀和宏觀跨尺度計(jì)算方法層面的研究與直接針對(duì)需求目標(biāo)應(yīng)用層面的研究密切相關(guān)，不僅為其提供方法支撐，而且為計(jì)算材料科學(xué)自身發(fā)展做出貢獻(xiàn)。服務(wù)層面包括材料數(shù)據(jù)庫、材料計(jì)算程序、材料計(jì)算平臺(tái)、相關(guān)資源的創(chuàng)建和提供。Hero-m項(xiàng)目(http:/www.hero-m.mse.kth.se/)與ICME和MGI密切相關(guān)，其研究內(nèi)容如圖4所示。該項(xiàng)目集合從原子到宏觀各個(gè)尺度上的材料計(jì)算模擬方法與實(shí)驗(yàn)表征技術(shù)，開發(fā)材料設(shè)計(jì)過程中所需的ICME工具，并進(jìn)一步將先進(jìn)制造技術(shù)與材料實(shí)驗(yàn)和模擬融入到ICME工具中，開發(fā)材料選擇、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品設(shè)計(jì)相結(jié)合的集成優(yōu)化系統(tǒng)。

圖4　Hero-m項(xiàng)目不同尺度材料工程設(shè)計(jì)Fig.4　Hero-m engineering design on different length scales

4第一性原理計(jì)算設(shè)計(jì)新材料

計(jì)算材料的發(fā)展對(duì)于材料基因組計(jì)劃的實(shí)施至關(guān)重要，這一點(diǎn)在集成計(jì)算材料工程和Hero-m項(xiàng)目中均有體現(xiàn)。材料發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化、發(fā)展分別涉及原子、微觀、介觀尺度上的計(jì)算模擬。新材料發(fā)現(xiàn)旨在探索設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)尚未制備或者自然界不存在的、結(jié)構(gòu)未知的材料。按需設(shè)計(jì)是MGI的終極目標(biāo)，設(shè)計(jì)特定性質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)或者探索發(fā)現(xiàn)材料新的物相, 均與傳統(tǒng)的材料性能優(yōu)化和工藝模擬不同。基于經(jīng)典理論的經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)方法無法應(yīng)用在該研究階段。第一性原理方法基于量子力學(xué)原理，計(jì)算過程只需要所涉及的原子種類和位置坐標(biāo)，此外不需要任何經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，該方法是新材料設(shè)計(jì)和探索的首選方法。

科學(xué)家們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在結(jié)構(gòu)甚至化學(xué)計(jì)量比均未知，僅從材料的化學(xué)成分出發(fā)來預(yù)測(cè)材料新物相和設(shè)計(jì)特定性質(zhì)的材料結(jié)構(gòu)。美國紐約州立大學(xué)石溪分校的Oganov A主導(dǎo)開發(fā)的USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutional Xtallography, USPEX)軟件基于晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法[11-13]，該軟件能夠基于材料的化學(xué)成分和給定的溫度/壓力，預(yù)測(cè)材料的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和一系列低能量介穩(wěn)結(jié)構(gòu)。此方法已推廣到分子晶體、團(tuán)簇、變成分結(jié)構(gòu)、相變路徑和基于力學(xué)和功能性質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè),部分研究成果見參考文獻(xiàn)[14-16]。USPEX可以完全使用從頭算方法處理晶胞含有6～40原子的體系。對(duì)于晶胞多于40個(gè)原子的體系，計(jì)算成本顯著增大，但仍可以實(shí)現(xiàn)，需要借助USPEX中的其他方法或近似。對(duì)于100～200個(gè)原子的晶胞，使用經(jīng)典力場(chǎng)方法，也可以得到很好的結(jié)果。同類的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法還有吉林大學(xué)超硬材料實(shí)驗(yàn)室的馬琰銘主導(dǎo)開發(fā)的CALYPSO (Crystal structure AnaLYsis by Particle Swarm Optimization, CALYPSO) 程序包，該方法在晶體[17]、團(tuán)簇[18]、二維層狀材料[19]結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)方面具有很高的成功率和收斂速度。

第一性原理方法能夠準(zhǔn)確計(jì)算原子結(jié)構(gòu)下的各種電子結(jié)構(gòu)和總能量相關(guān)的數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，在考慮原子、電子尺度下振動(dòng)和熱電子熵的貢獻(xiàn)后，能夠預(yù)測(cè)有限溫度下的性質(zhì)。在為多組元材料設(shè)計(jì)服務(wù)的計(jì)算工具中，第一性原理計(jì)算作為第一階段的計(jì)算工具參與多組元材料設(shè)計(jì)，使得單個(gè)相的內(nèi)部微觀構(gòu)型成為多組元材料的基本組成模塊，極大地增強(qiáng)了CALPHAD計(jì)算對(duì)多組元材料單個(gè)相性質(zhì)的預(yù)測(cè)能力，如圖2所示。

第一性原理計(jì)算方法在針對(duì)特定應(yīng)用目標(biāo)篩選組元材料方面同樣取得了突出的成績，這一點(diǎn)將在下一節(jié)說明。

5高通量計(jì)算篩選新材料

計(jì)算能力的提升以及計(jì)算模擬技術(shù)的發(fā)展，使得高通量計(jì)算搜索新材料成為可能。在真正的實(shí)驗(yàn)之前，我們可以采用高通量計(jì)算并根據(jù)特定需要來篩選自然界已有的或者不存在的，所有可能的復(fù)合物。同時(shí)，高通量計(jì)算和可用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，建立結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的聯(lián)系，將為新材料的設(shè)計(jì)提供充分的數(shù)據(jù)信息，省掉“試”和“錯(cuò)”的過程。

最近，高通量計(jì)算已經(jīng)開始應(yīng)用于二次鋰離子電池(Lithium Secondary Batteries, LSB) 材料的設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)中[20-24]。關(guān)系到二次鋰離子電池性能的關(guān)鍵物理問題有：材料的電子結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性，鋰離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，電極、電解液表面、界面問題，電極材料的結(jié)構(gòu)和相穩(wěn)定性，離子植入熱力學(xué)等。第一性原理計(jì)算的多功能性給以上絕大部分的物理問題的解決提供了有益的參考，重要的是，第一性原理計(jì)算的準(zhǔn)確性足以預(yù)測(cè)二次鋰離子電池的關(guān)鍵性能。首先，基于第一性原理的高通量計(jì)算方法可以計(jì)算數(shù)以千計(jì)的二次鋰離子電池材料的性質(zhì)，由此篩選出具備期望性質(zhì)的材料。其次，結(jié)合第一性原理計(jì)算與微觀、介觀尺度上的高通量計(jì)算工具與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，將幫助我們搞清楚一些重要的、控制二次鋰離子電池材料性質(zhì)的原理。中科院物理所陳立泉院士課題組依據(jù)關(guān)系到二次鋰離子電池性能的相關(guān)物理問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)篩選二次鋰離子電池材料的高通量計(jì)算流程[23]。

清潔能源材料是材料基因組計(jì)劃致力發(fā)展的4類先進(jìn)材料之一。氫能是公認(rèn)的清潔能源，其作為低碳和零碳能源正在脫穎而出。世界各國正在研究如何能大量而廉價(jià)的生產(chǎn)氫，利用太陽能分解水制氫是一個(gè)主要的研究方向。

光解水制氫涉及兩步反應(yīng):

H++e-+*→H*,

2H*→H2+2*或者H*+H++e-→H2+*

制氫反應(yīng)的第一步是氫吸附中間體的形成。熱力學(xué)上，如果氫的吸附是強(qiáng)烈吸熱過程，那么氫吸附中間體的形成將受阻礙；如果它是強(qiáng)放熱過程，那么由吸附中間體形成H2則需要很大的能量導(dǎo)致反應(yīng)難以進(jìn)行。光解水制氫的關(guān)鍵在于找到一種高效廉價(jià)的催化劑,使得吸附中間體和H2的形成均容易發(fā)生。丹麥技術(shù)大學(xué)原子尺度材料物理中心的Noerskov J K課題組研究發(fā)現(xiàn)制氫反應(yīng)的速度和反應(yīng)自由能(ΔGH)之間存在一個(gè)火山模型[25]，電流密度最大值出現(xiàn)在ΔGH=0eV處。 因此，氫吸附的吉布斯反應(yīng)自由能成為判斷金屬材料[25-28]催化析氫反應(yīng)活性的標(biāo)準(zhǔn)。該課題組以ΔGH為需求標(biāo)準(zhǔn)，成功將高通量計(jì)算應(yīng)用在了制氫催化材料篩選上[28]。他們將催化活性標(biāo)準(zhǔn)、精確穩(wěn)定性評(píng)估、基于700多個(gè)過渡金屬表面合金的DFT計(jì)算數(shù)據(jù)有效地結(jié)合，形成評(píng)估程序，由此完成了大規(guī)模合金催化劑的組合篩選。計(jì)算結(jié)果如圖5所示，顯示Bi和Pt的合金表面是最有潛力的制氫催化材料之一。Noerskov J K課題組后來成功合成了BiPt合金表面，并證明了該材料的催化活性優(yōu)于典型制氫催化劑Pt。最近，此類計(jì)算被用于評(píng)估過渡金屬二硫化物的催化性能[29-30]，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)完全一致。

圖5　高通量計(jì)算篩選256個(gè)純金屬和表面合金[28]Fig.5　Computational high-throughput screening for on 256 pure metals and surface alloys[28]

6結(jié)語

MGI實(shí)施以來，獲得了美國學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的積極響應(yīng)，取得了較快的進(jìn)展。我國也多次召開了各種類型的材料基因組研討會(huì)，鑒于我國關(guān)鍵新材料的長期缺乏，歷屆與會(huì)專家一致認(rèn)為我國必須啟動(dòng)中國版的“材料基因組計(jì)劃”， 變革材料研發(fā)傳統(tǒng)模式，加速國家關(guān)鍵新材料的研發(fā)和應(yīng)用進(jìn)程。材料基因組工程得到了各級(jí)政府的高度重視，參與的政府部門、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、院校日趨增多,已經(jīng)成立了多家材料基因組機(jī)構(gòu)：上海市材料基因組研究院，材料基因工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海大學(xué)材料基因組研究院，西北工業(yè)大學(xué)材料基因組國際合作研究中心，北航集成計(jì)算材料工程中心等。

材料基因組計(jì)劃將變革傳統(tǒng)離散型的、經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)法的研發(fā)模式，建立計(jì)算工具、實(shí)驗(yàn)工具、數(shù)據(jù)庫相融合、協(xié)同創(chuàng)新的研發(fā)理念。計(jì)算在新材料研發(fā)模式中處于指導(dǎo)地位。計(jì)算工具建設(shè)的最終目標(biāo)是使用仿真軟件加速材料的研發(fā)部署，指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)新材料、替代物理測(cè)試。計(jì)算工具當(dāng)前的主要問題是還不具備多空間和時(shí)間尺度的仿真計(jì)算能力，同時(shí)各種軟件分散、難以集成。目前應(yīng)以開放的方式，加速計(jì)算工具的開發(fā)，特別是快速增長的第一性原理方法和先進(jìn)模擬方法。材料集成計(jì)算工具在工業(yè)界已經(jīng)發(fā)揮了作用，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的開放式互動(dòng)交流將促進(jìn)集成計(jì)算研究走向深入。隨著計(jì)算能力、數(shù)據(jù)管理和材料科學(xué)與工程集成方法的發(fā)展，材料研發(fā)模式應(yīng)轉(zhuǎn)向開放共享和集成協(xié)作，同時(shí)提升文化氛圍，使下一代材料人完全采納這種方式，并使其進(jìn)一步發(fā)展。

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(編輯惠瓊)

Materials Genome Initiative and First-PrinciplesHigh-Throughput Computation

FAN Xiaoli

(School of Materials Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

Abstract：Both Materials Genome and computational materials are the key to speed up marketing new material although they both are not new. In the present article, the author introduces the goal and core concepts of MGI,and discusses the definition and understandings to Materials Genome. The integrated computational materials engineering (ICME) is the essential ingredient of MGI. Integrated computational materials combined the atomic, microscopic, mesoscopic and macroscopic scale computational tools play an important role from the initial discovery and optimizing to the environmental testing. Through a few projects, the applications of first-principles calculation in new materials design, and high-throughput computation in certain materials screening are presented. Combination of high-throughput computation and experiments will further people knowing materials, constructing database, and providing useful information for new materials design. For MGI, knowing the relation between the material structures and properties and designing new material are both important. Additionally, MGI aims to change the conventional R&D pattern, combining calculation, experiment and database, applying interactive and concurrent technological procedure in the whole process from discovery to applications.

Key words：Materials Genome; integrated computational materials; first-principles calculation; high-throughput computation

中圖分類號(hào)：TB3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3962(2015)09-0689-07

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.09.07

作者簡介：范曉麗，女，1976年生，教授，博士生導(dǎo)師，Email: xlfan@nwpu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21273172)

收稿日期：2015-07-20