【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 確定材料的微結(jié)構(gòu)是認(rèn)識(shí)和改性材料的前提?；瘜W(xué)無序材料指晶格有序但元素成分無序的一類材料。從化學(xué)成分的角度來看，化學(xué)無序材料可分為陰離子、陽離子和缺陷對(duì)應(yīng)體，可以簡單地認(rèn)為是陰離子、陽離子和缺陷占據(jù)了非周期位點(diǎn)?；瘜W(xué)無序材料由于其獨(dú)特的性質(zhì)在半導(dǎo)體、高溫超導(dǎo)體、金屬合金、陶瓷和沸石催化劑等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。
 

　　研究無序材料的結(jié)構(gòu)對(duì)于理解無序材料性質(zhì)和指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)具有重要價(jià)值。因?yàn)椴糠志Ц裎稽c(diǎn)的原子占據(jù)不確定性，化學(xué)無序材料的確切結(jié)構(gòu)一直尚未解決?；瘜W(xué)無序材料的結(jié)構(gòu)預(yù)測是極具挑戰(zhàn)的，其隨著體系尺寸增加變得愈加復(fù)雜。前期研究利用晶體對(duì)稱性除重、集團(tuán)展開和機(jī)器學(xué)習(xí)勢等技術(shù)加速了化學(xué)無序材料的結(jié)構(gòu)預(yù)測，但仍面臨大量昂貴的第一性原理計(jì)算。
 

　　中國科學(xué)院力學(xué)研究所和中科院山西煤炭化學(xué)研究所/中科合成油技術(shù)有限公司聯(lián)合團(tuán)隊(duì)發(fā)展了“辣搜”(LAsou)方法來高效預(yù)測化學(xué)無序材料的電子結(jié)構(gòu)。三種不同的、典型的有限尺寸體系測試表明【陰離子無序的BaSc(OxF1-x)3、陽離子無序的Ca1-xMnxCO3和缺陷無序的ε-FeCx】，與傳統(tǒng)枚舉法相比，“辣搜”方法僅需要非常少的第一性原理計(jì)算就可以快速找到熱力學(xué)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
 

　　“辣搜”方法是一種簡單而高效的方法，結(jié)合第一性原理計(jì)算和主動(dòng)學(xué)習(xí)算法來搜索化學(xué)無序材料的熱力學(xué)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。“辣搜”方法在解決多體體系的“指數(shù)墻”(由于計(jì)算復(fù)雜度隨自由度指數(shù)上升而形成的壁壘)問題方面顯示出巨大潛力。
 

　　在“辣搜”方法中，機(jī)器學(xué)習(xí)勢可以通過大采樣空間的預(yù)測和篩選大大減少第一性原理的計(jì)算量，集成學(xué)習(xí)算法可以顯著提高能量和弛豫預(yù)測的穩(wěn)定性，主動(dòng)學(xué)習(xí)算法可以在線逐步提高機(jī)器學(xué)習(xí)勢的精度，從而不需要預(yù)先準(zhǔn)備大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。結(jié)合這些優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，基于主動(dòng)學(xué)習(xí)的“辣搜”方法將有助于更大、更復(fù)雜、準(zhǔn)無限尺寸系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，以及出現(xiàn)在納米顆粒、催化劑、固溶體、高熵合金和高熵氧化物等新材料中。
 

　　圖1 基于主動(dòng)學(xué)習(xí)的“辣搜”方法流程圖。概述了與第一性原理計(jì)算相結(jié)合的用于有限尺寸化學(xué)無序材料結(jié)構(gòu)預(yù)測的方法。
 

　　圖2 枚舉法和“辣搜”法在BaSc(OxF1-x)3 (x=0.667)體系的表現(xiàn)。(a)2664個(gè)枚舉結(jié)構(gòu)和最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的總能量散點(diǎn)圖。(藍(lán)色圓圈代表每個(gè)結(jié)構(gòu)的能量，紅色虛線圓圈代表能量最低的結(jié)構(gòu)。)(b)“辣搜”方法搜索過程中總能量隨搜索代數(shù)的演化。(紅色三角形代表歷史上搜索過的最低能量結(jié)構(gòu)。)
 

　　圖3 枚舉法和“辣搜”法在Ca1-xMnxCO3 (x=0.25)體系的表現(xiàn)。(a)1033個(gè)枚舉結(jié)構(gòu)和最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的總能量散點(diǎn)圖。(b)“辣搜”方法搜索過程中總能量隨搜索代數(shù)的演化。
 

　　圖4 枚舉法和“辣搜”法在ε-FeCx (x=0.5)體系的表現(xiàn)。(a)10496個(gè)枚舉結(jié)構(gòu)和最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的總能量散點(diǎn)圖。(b)“辣搜”方法搜索過程中總能量隨搜索代數(shù)的演化。