標(biāo)題: 《Nature》 封面文章：人工智能引發(fā)材料科學(xué)變革 [打印本頁(yè)]
作者: 51黑專(zhuān)家    時(shí)間: 2016-5-7 22:05
標(biāo)題: 《Nature》 封面文章：人工智能引發(fā)材料科學(xué)變革
作者： Nicola Nosengo
機(jī)器之心編譯
參與：王紫薇、吳恒、微胖


一些研究者相信，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可以變革材料科學(xué)。

這是對(duì)最極客視頻前所未有的挑戰(zhàn)：一部智能手機(jī)的特寫(xiě)，一排排數(shù)字和符號(hào)正在手機(jī)屏幕上滾動(dòng)著。但是，當(dāng)拜訪者們駐足在 Nicola Marzari 可以俯瞰日內(nèi)瓦湖的辦公室時(shí)，他迫不及待得向人們炫耀它了。「從2010年就開(kāi)始了，」他說(shuō)，「我的手機(jī)正在實(shí)時(shí)計(jì)算硅的電子結(jié)構(gòu)！」

Marzari，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 （Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne,EPFL）的物理學(xué)家，解釋道，他現(xiàn)在的手機(jī)僅用 40 秒就可以執(zhí)行一個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)需花費(fèi)數(shù)小時(shí)的量子力學(xué)運(yùn)算 —— 這個(gè)傲人成果不僅展現(xiàn)了過(guò)去幾十年運(yùn)算方式的進(jìn)步，也證實(shí)了這些運(yùn)算方式有望改變未來(lái)材料科學(xué)研究方式。

Marzari 和志同道合的研究人員正在使用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，集成由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的候選材料組成的數(shù)據(jù)庫(kù)，而不再是用以前開(kāi)發(fā)新材料的老式方法（靠運(yùn)氣碰到一些新材料，然后在實(shí)驗(yàn)室精心測(cè)試它們的性能）。即使實(shí)驗(yàn)失敗，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也可以做出貢獻(xiàn)。雖然許多候選材料是完全被假設(shè)出來(lái)的，但是，通過(guò)搜遍這些材料的性能，工程師們已經(jīng)開(kāi)始針對(duì)特定用途，篩選那些值得合成和測(cè)試的材料——例如，是否是良好的導(dǎo)體或絕緣體、是否有磁性以及熔點(diǎn)和耐壓強(qiáng)度如何。

「他們希望這種方法能讓材料發(fā)現(xiàn)的速度和效率產(chǎn)生巨大飛躍，」加州大學(xué)伯克利分校的材料科學(xué)家、也是這一領(lǐng)域的先驅(qū)者 Ceder 說(shuō)。Ceder 認(rèn)為，「我們對(duì)現(xiàn)存材料的了解大概只有 1% 」，他提到了鋰鐵電池(lithium iron phosphate) 的例子：在二十世紀(jì)三十年代就被合成出來(lái)的化合物，然而一直到 1996 年，人們才承認(rèn)，它有望替代鋰離子電池�！钢埃瑝焊鶝](méi)有人想測(cè)量它的電壓」Ceder說(shuō)。

目前，全世界已有至少三個(gè)主要的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)包含了數(shù)萬(wàn)或數(shù)十萬(wàn)種的化合物。Marzari 位于洛桑的材料云項(xiàng)目 （Materials Cloud project）將在今年內(nèi)開(kāi)始運(yùn)行。而且也開(kāi)始引發(fā)更廣泛的利益團(tuán)體關(guān)注。Neil Alford，材料科學(xué)家，倫敦帝國(guó)理工學(xué)院（Imperial College London）科研副主任（不過(guò)他和數(shù)據(jù)庫(kù)項(xiàng)目沒(méi)有關(guān)系）認(rèn)為，「我們正在見(jiàn)證一個(gè)真正匯聚，實(shí)驗(yàn)者們想要的東西和理論學(xué)家可以傳遞內(nèi)容的匯聚」。

然而，這些倡導(dǎo)者們很快發(fā)現(xiàn)，從電腦預(yù)測(cè)到現(xiàn)實(shí)世界技術(shù)，這條路可以不好走�，F(xiàn)存的數(shù)據(jù)庫(kù)還遠(yuǎn)不能包含所有已知的材料，更別說(shuō)所有有可能性的材料了。對(duì)于某些材料而言，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的發(fā)現(xiàn)很管用，但是，對(duì)其他材料而言，未必如此。而且，甚至在電腦挑選出一種有趣的材料后，在實(shí)驗(yàn)室里合成它，仍然花費(fèi)數(shù)年�！肝覀兘�(jīng)常更了解應(yīng)該做什么，勝過(guò)如何制造它�！笴eder 說(shuō)道。

這個(gè)領(lǐng)域的研究者們?nèi)匀缓茏孕牛河幸慌热ケ话l(fā)現(xiàn)的化合物，這些化合物能推動(dòng)電子、能源、機(jī)器人、醫(yī)療保健和交通等領(lǐng)域的創(chuàng)新�！肝覀冋趯⒃S多拼圖的不同部分拼湊起來(lái)，」Giulia Galli，一名芝加哥大學(xué)的計(jì)算材料科學(xué)家，說(shuō)「當(dāng)不同部分組成一幅完整圖形時(shí)，對(duì)材料的預(yù)測(cè)就會(huì)成為現(xiàn)實(shí)�！�

基因的靈感

21世紀(jì)初，Ceder 想到了這種高通量、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的材料發(fā)現(xiàn)研究方法，那時(shí) ，Ceder 還在 MIT 學(xué)習(xí)并從幾近完成的人類(lèi)基因組計(jì)劃（ Human Genome Project）中受到啟發(fā)�！妇瓦@個(gè)計(jì)劃本身來(lái)說(shuō)，人類(lèi)基因組并不是新治療方案的秘方，」他說(shuō)，「但是，它為醫(yī)學(xué)研究提供了客觀數(shù)量的基礎(chǔ)、定量信息，作為研究的出發(fā)點(diǎn)�！共牧峡茖W(xué)家可以從基因?qū)W家那里學(xué)到什么嗎？他不禁好奇。他們能不能辨認(rèn)一種「材料基因組」（materials genome）——如 Ceder 所說(shuō)的 ——編碼各種化合物的性質(zhì)，就像生物信息被編碼進(jìn) DNA 堿基對(duì)一樣？

如果可以，他推理道，編碼過(guò)程必須發(fā)生在組成給定材料的原子和電子中，發(fā)生在它們的晶狀結(jié)構(gòu)中：亦即空間安排方式。2003 年， Ceder 和他的團(tuán)隊(duì)首次展示了一個(gè)量子力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)如何幫助預(yù)測(cè)了一種金屬合金最可能的晶體結(jié)構(gòu)——對(duì)于任何從事新材料發(fā)明的人來(lái)說(shuō)，這是關(guān)鍵一步。

過(guò)去，即使對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，這樣的計(jì)算也是既耗時(shí)又困難的。機(jī)器必須經(jīng)歷一系列的試驗(yàn)和錯(cuò)誤來(lái)尋找到「基態(tài)（ground state）」：一種能量最低且受力均衡的電子排布以及晶體結(jié)構(gòu)。但是，在 2003 年發(fā)表的論文中， Ceder 的團(tuán)隊(duì)描述了一種捷徑。研究人員針對(duì)一個(gè)二元合金（由兩種不同合金元素組成的合金）的數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算出常見(jiàn)晶體結(jié)構(gòu)的能量 ，然后設(shè)計(jì)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，這種算法可以從庫(kù)中提取模式，猜測(cè)一種新型合金最可能的基態(tài) 。該算法效果很好，削減了計(jì)算所需的計(jì)算時(shí)間（參見(jiàn)下圖）。



智能搜索
人工智能幫助研究者們梳理巨量的材料信息，并找到他們手頭應(yīng)用所需要的那幾款
從已知材料的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)與電腦模型開(kāi)始
機(jī)器學(xué)習(xí)提取共有模式
結(jié)果引導(dǎo)對(duì)新材料的預(yù)測(cè)
研究者們尋找擁有特定的、預(yù)測(cè)特質(zhì)的材料
化學(xué)家們嘗試著制造出可以接受真實(shí)世界檢驗(yàn)的候選材料

「那篇論文介紹了有關(guān)材料性質(zhì)的公共數(shù)據(jù)庫(kù)的想法，以及運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘來(lái)填補(bǔ)缺失部分的想法，」Stefano Curtarolo 說(shuō)。他在同一年離開(kāi)了 Ceder 團(tuán)隊(duì)并在杜克大學(xué)創(chuàng)建了自己的實(shí)驗(yàn)室。這個(gè)想法孕育了另外兩個(gè)獨(dú)立的項(xiàng)目。 2006 年， Ceder 在 MIT 開(kāi)始了材料基因組項(xiàng)目（Materials Genome Project），通過(guò)運(yùn)用改良版本的算法，預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車(chē)電池的鋰基材料。截止 2010 年，這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)包含了大約兩萬(wàn)種預(yù)測(cè)到的化合物�！肝覀儚囊阎牟牧先胧郑薷乃鼈兊木w結(jié)構(gòu) ——也就是先改變其中一個(gè)元素，再計(jì)算會(huì)發(fā)生什么，」 Kristin Persson，一位 Ceder 團(tuán)隊(duì)的前成員，說(shuō)道。她在 2008 年加入位于加州的勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ Lawrence Berkeley National Laboratory）后，繼續(xù)與這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行合作。

與其同時(shí)，Curtarolo 在杜克大學(xué)創(chuàng)辦了材料基因組中心（Center for Materials Genomics），研究方向主要是金屬合金。他與來(lái)自猶他州普若佛市的楊百翰大學(xué)（Brigham Young University）和以色列的內(nèi)蓋夫核研究中心（Negev Nuclear Research Center）的研究人員們組建團(tuán)隊(duì)，逐漸將 2003 算法數(shù)據(jù)庫(kù)擴(kuò)展為 AFLOW，這個(gè)系統(tǒng)可以以已知的晶體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，完成計(jì)算任務(wù)，自動(dòng)預(yù)測(cè)新的晶體結(jié)構(gòu)。

原團(tuán)隊(duì)以外的研究者們也開(kāi)始對(duì)這個(gè)高通量計(jì)算方式表示興趣。其中之一便是化學(xué)工程師 Jens N?rskov。在位于靈比的丹麥技術(shù)大學(xué)（Technical University of Denmark）時(shí)，他因?yàn)橐芯繉⑺纸獬蓺浜脱醯拇呋瘎┒_(kāi)始接觸這個(gè)算法，后來(lái)以加州斯坦佛大學(xué) SUNCAT 催化劑計(jì)算研究中心（SUNCAT Center）總監(jiān)的身份拓展了這個(gè)研究。另一位便是參與開(kāi)發(fā) Quantum Espresso 軟件的 Marzari。2009年，Quantum Espresso 軟件開(kāi)始用于量子力學(xué)運(yùn)算。這個(gè)算法便是文章開(kāi)始時(shí)在他的手機(jī)視頻上滾動(dòng)的代碼。

材料基因組學(xué)

盡管如此，直到 2011 年六月，當(dāng)白宮宣布百萬(wàn)美金的材料基因組倡議（Materials Genome Initiative，MGI）時(shí)，計(jì)算材料科學(xué)才逐漸成為主流�！府�(dāng)白宮的人們開(kāi)始熟悉 Ceder 的研究時(shí)，他們十分得激動(dòng)，」James Warren，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所（National Institute of Standards and Technology）的材料科學(xué)家、同時(shí)也是材料基因組倡議的執(zhí)行秘書(shū)，說(shuō)道�！冈谶@之前，人們就有了一個(gè)大概意識(shí)，計(jì)算機(jī)模擬已經(jīng)到達(dá)了可以對(duì)創(chuàng)新和制造帶來(lái)真實(shí)影響的程度，」他說(shuō)——更別提「基因組」大名，這讓人聯(lián)想到某種宏大敘事。

2011 年以來(lái)，這個(gè)倡議已經(jīng)投入了2.5億美元，對(duì)象包括軟件工具、收集與報(bào)道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化方法、主要大學(xué)的計(jì)算材料科學(xué)中心、以及大學(xué)與商業(yè)部門(mén)就特定用途展開(kāi)的研究合作等。但是，尚不清楚的是，這筆投資到底在多大程度上推進(jìn)了科學(xué)研究�！高@個(gè)倡議帶來(lái)了很多好的東西，同時(shí)也有一些偏差，」Ceder說(shuō)道�！赣腥碎_(kāi)始說(shuō)，他們的研究是關(guān)于這個(gè)基因組或者那個(gè)基因組，其實(shí)，這些研究跟基因組沒(méi)什么關(guān)系�！�

但是，可以確定的是，這個(gè)材料基因組倡議意在幫助 Ceder 和其他的人實(shí)現(xiàn)材料性質(zhì)在線數(shù)據(jù)庫(kù)的宏大愿望。2011 年末，在白宮要求他們放棄「基因組」這個(gè)標(biāo)簽以避免混淆后，Ceder 和 Persson 以材料項(xiàng)目（the Materials Project ）的形式重新開(kāi)始了他們的材料基因組項(xiàng)目。在接下來(lái)的一年，Curtarolo 以他在杜克大學(xué)研發(fā)的一款軟件為基礎(chǔ)，發(fā)布了他自己的數(shù)據(jù)庫(kù)，名為 AFLOWlib。接著在 2013 年，Chris Wolverton, 一位西北大學(xué)（Northwestern University）的材料研究者開(kāi)啟了開(kāi)放量子材料數(shù)據(jù)庫(kù)（the Open Quantum Materials Database）。「我們從材料項(xiàng)目和 AFLOWlib 獲取到了許多的靈感，」Wolverton說(shuō)，「然而，我們的軟件和數(shù)據(jù)是完全原創(chuàng)的�！�

所有這三個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，共享著約五萬(wàn)種已知材料的核心，這些材料來(lái)自一個(gè)被廣泛使用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，無(wú)機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（Inorganic Crystal Structure Database）。這些材料都是至少在實(shí)驗(yàn)室中被創(chuàng)造出過(guò)一次并在論文中被描述過(guò)的固體，但是，它們的電磁性能還沒(méi)有完全被檢測(cè)到；它們將會(huì)是新型材料衍生的起點(diǎn)。

三個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的區(qū)別在于它們所包括的假定的材料。The Materials Project 包括的相對(duì)較少，始于大約15,000個(gè)計(jì)算結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)源自 Ceder 和 Persson 對(duì)鋰電池的研究�！肝覀冎皇菍⑺鼈兒w在數(shù)據(jù)庫(kù)中，如果我們確信計(jì)算是準(zhǔn)確的，在一個(gè)合理?xiàng)l件下，它們是可以被制造的，」Persson 說(shuō)。另外大約13萬(wàn)，是由在明尼蘇達(dá)的明尼阿波利斯大學(xué)的納米多孔材料基因組中心預(yù)測(cè)出的結(jié)構(gòu)。后者研究沸石和金屬 - 有機(jī)骨架：在其晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)有著規(guī)律孔的海綿似的材料，可以吸收氣體分子，并且可以用來(lái)儲(chǔ)存甲烷或二氧化碳。

AFLOWlib 是最大的數(shù)據(jù)庫(kù)，擁有超過(guò)一百萬(wàn)種不同的材料和大約1億的計(jì)算性能。這是因?yàn)樗汕先f(wàn)的假設(shè)材料，這其中僅僅只有一小部分存在于現(xiàn)實(shí)世界里。Curtarolo 說(shuō)，「但是，當(dāng)想要預(yù)測(cè)一種材料究竟是如何被制造出來(lái)時(shí)，卻要付出很多努力�！估�，他正在從 AFLOWlib 數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取數(shù)據(jù)，研究為什么一些合金能夠形成金屬玻璃——一種特殊的金屬，有著無(wú)序的微觀結(jié)構(gòu)，從而表現(xiàn)出特殊的電磁性能。事實(shí)證明，能夠形成金屬玻璃的材料與不能的材料之間的差異，取決于不穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)的數(shù)量和能量，這些不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)在合金冷卻時(shí)與基態(tài)原子相「競(jìng)爭(zhēng)」，掙脫基態(tài)的束縛從而形成金屬玻璃。

沃爾弗頓的 OQMD 數(shù)據(jù)庫(kù)包含約40萬(wàn)假定材料，通過(guò)從自然觀察中得出一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)的列表以及從元素周期表9中的每一個(gè)部分選擇元素「修飾」這些假定材料，從而計(jì)算得到的這些數(shù)據(jù)庫(kù)。它具有相當(dāng)寬范圍的鈣鈦礦——其晶體結(jié)構(gòu)通常展示出相當(dāng)吸引人的特性，例如，超導(dǎo)性和作為微電子開(kāi)發(fā)在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用。顧名思義，這個(gè)項(xiàng)目在這三個(gè)中是最開(kāi)放的：用戶可以下載整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)到自己的電腦，而不僅僅是單個(gè)搜索結(jié)果。

所有數(shù)據(jù)庫(kù)都在程序中運(yùn)行，他們策劃人仍然花費(fèi)相當(dāng)一部分時(shí)間來(lái)增加更多的化合物以及完善的計(jì)算 。他們認(rèn)為，這些還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠完善。這些代碼往往在預(yù)測(cè)晶體是否穩(wěn)定方面性能相當(dāng)不錯(cuò)，但在預(yù)測(cè)如何吸收光線或?qū)щ娦阅芊矫娌惶茫袝r(shí)，預(yù)測(cè)出的半導(dǎo)體看起來(lái)像金屬。Marzari 指出，即使是在計(jì)算材料學(xué)最有成功經(jīng)驗(yàn)的電池材料領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算仍然有平均半伏的誤差，導(dǎo)致性能方面存在許多差異。「事實(shí)是，理論本身存在一些錯(cuò)誤：我們可能永遠(yuǎn)無(wú)法改正，」Curtarolo 說(shuō)。

每個(gè)團(tuán)隊(duì)都正在開(kāi)發(fā)自己的技術(shù)來(lái)調(diào)整計(jì)算以及彌補(bǔ)這些系統(tǒng)誤差。然而，在他們已經(jīng)用數(shù)據(jù)做科研的同時(shí)，來(lái)自其他團(tuán)隊(duì)的用戶也在這么做。The Marerials Project 確定了幾個(gè)有前景的陰極材料，在鋰電池中使用效果比現(xiàn)有的要好一些，同時(shí)確定了在太陽(yáng)能電池中可以提高陽(yáng)光吸收效率和能量轉(zhuǎn)化效率的幾種金屬氧化物。今年早些時(shí)候，來(lái)自都柏林圣三一學(xué)院的研究人員使用 AFLOWlib 數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)測(cè)20哈斯勒合金，一類(lèi)可被應(yīng)用于傳感器或電腦記憶體的磁鐵，他們成功地合成了兩種該類(lèi)合金，確認(rèn)了它們的磁特性非常接近預(yù)測(cè)結(jié)果。

歐洲擴(kuò)張

材料基因組學(xué)已經(jīng)傳播到歐洲——盡管通常用的是其它名字。例如，瑞士創(chuàng)建了 MARVEL，一個(gè)為計(jì)算材料科學(xué)而成立的機(jī)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)由 EPFL 領(lǐng)導(dǎo)，Marzari  做為主管。使用一個(gè)新的計(jì)算平臺(tái)，Marzari 創(chuàng)建一個(gè)名為材料云的數(shù)據(jù)庫(kù)，用來(lái)搜索「二維」的材料，如石墨，它僅僅由一層原子或分子構(gòu)成。這樣的材料，應(yīng)用范圍可以從納米電子擴(kuò)展到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。為了找到更好的候選材料，Marzari 正在對(duì)超過(guò) 15 萬(wàn)的已知材料進(jìn)行他所謂的「計(jì)算剝皮」：計(jì)算從一個(gè)普通晶體的表面分離出單層結(jié)構(gòu)會(huì)消耗多少能量。截止到今年下半年向公眾公布這些數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)候，他預(yù)計(jì)初步可產(chǎn)生 1500 種二維結(jié)構(gòu)，它們有潛在希望用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

在 Sion 幾公里以外的瑞士阿爾卑斯山之巔，計(jì)算化學(xué)家 Berend Smit 成立了另一個(gè) EPFL 中心，旨在開(kāi)發(fā)出能夠預(yù)測(cè)成千上萬(wàn)的納米多孔沸石和金屬有機(jī)框架的算法。也包括其他一些算法：一個(gè)算法使用面部識(shí)別軟件派生的技術(shù)掃描特定氣孔的形狀，從而挑選出從化石燃料發(fā)電廠的煙道吸收二氧化碳最佳的備選材料。

Smit 的工作還表明，材料基因組學(xué)也會(huì)帶來(lái)壞消息。許多研究人員曾希望利用納米多孔材料打造用更小的空間存儲(chǔ)更多甲烷的汽車(chē)罐。但篩查超過(guò) 65 萬(wàn)種計(jì)算材料后，Smit 團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論，大部分的最好材料已經(jīng)投入應(yīng)用。新的選擇可能只帶來(lái)輕微的改善，而且目前美國(guó)機(jī)構(gòu)設(shè)置的能源目標(biāo)（押注重大技術(shù)改進(jìn)甲烷存儲(chǔ)）可能是不切實(shí)際的。

正如這些耐人尋味的例子，在材料基因組學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)其期望以前，仍然有許多障礙需要克服。其中最大的一個(gè)障礙就是，計(jì)算機(jī)模擬只是給出了一些在實(shí)驗(yàn)室制造有趣材料的部分線索，更不要提大規(guī)模生產(chǎn)了。「我們一直對(duì)制造新化合物有一些有趣的想法」Ceder 說(shuō)，「有時(shí)候，花兩個(gè)星期的時(shí)間就可以做出來(lái)。但有些時(shí)候，半年過(guò)去了，我們?nèi)匀粺o(wú)法做出來(lái)，不知道是我們沒(méi)有按照正確的方式做，還是它就是不能夠被制造出來(lái)。」

Ceder 和 Curtarolo 正在努力開(kāi)發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，從而從已知的制造工藝中提取方法，指導(dǎo)化合物的合成。

另一個(gè)限制是，迄今為止，材料基因組學(xué)一直被專(zhuān)門(mén)用于工程師所謂的功能材料－－即可以實(shí)現(xiàn)某種功能的化合物，例如太陽(yáng)能電池吸收光或者讓晶體管導(dǎo)通電流。但該技術(shù)不被用于研究鋼這樣的結(jié)構(gòu)材料，而這樣的材料是被需要的，例如，飛機(jī)機(jī)翼、橋梁或發(fā)動(dòng)機(jī)都需要鋼材。不被用于這種材料是因?yàn)椴牧系膹椥院陀捕冗@樣的機(jī)械性能依賴于加工過(guò)程， 這是不能通過(guò)量子力學(xué)代碼描述的。

即使是在功能材料領(lǐng)域，目前的計(jì)算機(jī)代碼只能很好地對(duì)完整晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。 這只是材料領(lǐng)域的一小部分 �！肝磥�(lái)最有趣的材料可能會(huì)以創(chuàng)造性的方式在微觀層面進(jìn)行組裝」Galli 說(shuō)。它們可能是納米顆粒和晶體結(jié)構(gòu)中特地布入缺陷的組合物，或者是纏結(jié)了不同化合物和相的異質(zhì)材料。為了預(yù)測(cè)這種材料，Galli說(shuō)，「你需要一次性計(jì)算許多性能，以及計(jì)算在特定溫度和時(shí)間下系統(tǒng)如何變化」�！赣蟹椒ǹ梢宰龅竭@一點(diǎn)，」她說(shuō)，「但在高通量研究中使用計(jì)算的方法太過(guò)昂貴」。

在短期內(nèi)，更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)交換可以對(duì)計(jì)算進(jìn)行現(xiàn)實(shí)檢查，并幫助完善它們。為此，Ceder 正在與麻省理工學(xué)院從事軟件研究的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行合作，這種軟件可以讀取實(shí)驗(yàn)類(lèi)材料科學(xué)的論文，并自動(dòng)以標(biāo)準(zhǔn)格式提取晶體結(jié)構(gòu)的信息�！肝覀冇�(jì)劃開(kāi)始在幾個(gè)月內(nèi)將這些數(shù)據(jù)傳送到材料項(xiàng)目」他說(shuō)。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，一些幫助將來(lái)自摩爾定律：隨著計(jì)算能力的不斷提高，一些超出目前計(jì)算的技術(shù)可能很快變得可用。

「我們已經(jīng)擺脫了計(jì)算材料科學(xué)的手工時(shí)代，進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化階段，」Marzari說(shuō)，「我們現(xiàn)在可以創(chuàng)建模擬裝配鏈進(jìn)行工作，還可以用全新的方法探究問(wèn)題�！怪皇乾F(xiàn)在市場(chǎng)上還沒(méi)有計(jì)算預(yù)測(cè)的材料�！傅侨绻� 10 年后再說(shuō)，」Gall 表示，「我認(rèn)為會(huì)出現(xiàn)很多�！�



本文由機(jī)器之心編譯





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