劍橋大學(xué)和林雪平大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種方法，可以根據(jù)材料的構(gòu)成元素來(lái)預(yù)測(cè)材料的結(jié)構(gòu)。結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

材料中原子的排列決定了它的性質(zhì)。無(wú)需在實(shí)驗(yàn)室中制造材料，通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)不同元素組合的這種排列的能力，將使研究人員能夠快速設(shè)計(jì)和改進(jìn)材料。這為更好的電池和光伏等進(jìn)步鋪平了道路。

然而，原子可以通過(guò)多種方式“堆積”到材料中：一些堆積是穩(wěn)定的，而另一些則不是。確定包裝的穩(wěn)定性是計(jì)算密集型的，并且計(jì)算每個(gè)可能的原子排列以找到最佳排列是不切實(shí)際的。這是材料科學(xué)的一個(gè)重大瓶頸。

“這種材料結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)挑戰(zhàn)類似于生物學(xué)中的蛋白質(zhì)折疊問(wèn)題，”共同領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的劍橋卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的AlphaLee博士說(shuō)。“一種材料可以‘折疊’成許多可能的結(jié)構(gòu)。材料科學(xué)問(wèn)題可能比生物學(xué)更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗紤]了更廣泛的元素。”

Lee和他的同事開(kāi)發(fā)了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，成功應(yīng)對(duì)了這一挑戰(zhàn)。他們開(kāi)發(fā)了一種描述材料的新方法，使用對(duì)稱數(shù)學(xué)將原子可以打包到材料中的無(wú)限方式減少為有限的可能性。然后，他們使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)預(yù)測(cè)理想的原子堆積，給定元素及其在材料中的相對(duì)組成。

他們的方法準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了有望用于壓電和能量收集應(yīng)用的材料結(jié)構(gòu)，其效率是當(dāng)前方法的五倍以上。他們的方法還可以以計(jì)算有效的方式找到數(shù)千種以前從未制造過(guò)的新的穩(wěn)定材料。

“可能的材料數(shù)量比我們自古代以來(lái)制造的材料總數(shù)大四到五個(gè)數(shù)量級(jí)，”同樣來(lái)自卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的共同第一作者RhysGoodall博士說(shuō)。“我們的方法提供了一種有效的計(jì)算方法，可以‘挖掘’以前從未制造過(guò)的新的穩(wěn)定材料。然后可以對(duì)這些假設(shè)材料的功能特性進(jìn)行計(jì)算篩選。”

研究人員現(xiàn)在正在使用他們的機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)來(lái)尋找新的功能材料，例如介電材料。他們還將實(shí)驗(yàn)約束的其他方面整合到他們的材料發(fā)現(xiàn)方法中。

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