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新材料基本靠算:機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)或?qū)氐赘淖儾牧峡茖W(xué)發(fā)展方式 發(fā)布時間:2018-05-15   瀏覽量:1999次

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我們已從計(jì)算材料科學(xué)的手工時代進(jìn)入工業(yè)化階段。圖片來源:NIK Spencer/Nature


  這是迄今最令人討厭視頻的強(qiáng)勁競爭者:對一部一排排數(shù)字和符號不斷向屏幕下方滾動的智能手機(jī)的特寫。不過,當(dāng)?shù)皆L者在Nicola Marzari俯瞰日內(nèi)瓦湖的辦公室駐足時,他總是會迫不及待地炫耀這部手機(jī)?!八鼇碜?010年?!盡arzari介紹說,“這是一部可實(shí)時計(jì)算硅電子結(jié)構(gòu)的手機(jī)?!?/p>


  身為瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)物理學(xué)家的Marzari表示,即便回到當(dāng)時,這部如今已經(jīng)落伍的手機(jī)僅需要40秒,便能執(zhí)行完在超級計(jì)算機(jī)上曾花費(fèi)好多個小時的量子力學(xué)計(jì)算。這一壯舉不僅證實(shí)了過去十多年間此類計(jì)算方法走了有遠(yuǎn),還表明未來其在改變材料科學(xué)發(fā)展方式上擁有的潛力。


  Marzari和志趣相投的研究人員并未采用老式方法研發(fā)新材料——憑借運(yùn)氣偶然發(fā)現(xiàn)它們,然后在實(shí)驗(yàn)室里不辭勞苦地測量其屬性。相反,他們正利用計(jì)算機(jī)建模和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)產(chǎn)生數(shù)以萬計(jì)的候選材料庫。即便是來自失敗試驗(yàn)的數(shù)據(jù),也能提供有用的輸入。很多候選材料完全是假設(shè)出來的,但工程師已開始列出因某種特定應(yīng)用而值得合成和測試的候選名單。這是通過搜尋材料的預(yù)期性質(zhì)實(shí)現(xiàn)的,比如它們作為導(dǎo)體或絕緣體將會表現(xiàn)如何、是否能起到磁體的作用以及能承受多少熱量和壓力。


  美國加州大學(xué)伯克利分校材料學(xué)家、該領(lǐng)域先鋒人物Gerbrand Ceder表示,希望在于這種方法將在發(fā)現(xiàn)材料的速度和效率上產(chǎn)生巨大飛躍?!拔覀兛赡苤焕斫饬爽F(xiàn)有材料1%的性質(zhì)?!盋eder以磷酸鐵鋰為例介紹說,這是一種于上世紀(jì)30年代首次合成的化合物,但直到1996年才被公認(rèn)為代替當(dāng)代鋰離子電池的頗有前景的材料?!按饲?,沒有人想到要測量它的電壓?!盋eder說。


遺傳學(xué)的靈感


  Ceder最早想到利用這種高通量、數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法發(fā)現(xiàn)材料是在本世紀(jì)初。當(dāng)時,他在麻省理工學(xué)院(MIT)工作,并且發(fā)現(xiàn)自己受到近乎完成的人類基因組計(jì)劃的啟發(fā)?!熬推浔旧矶?,人類基因組并非發(fā)現(xiàn)新療法的秘方?!盋eder說,“但它為藥物研發(fā)提供了數(shù)量驚人的基本定量信息?!庇谑牵谙?,材料學(xué)家能否從遺傳學(xué)家那里借鑒一些經(jīng)驗(yàn)。他們能否鑒別出一個與生物學(xué)信息被編碼在DNA堿基對中的方式相同的編碼各種化合物屬性的“材料基因組”?


  如果是這樣,Ceder推斷,編碼肯定存在于構(gòu)成一種既有材料的原子和電子及其晶體結(jié)構(gòu)中,即它們的空間排列方式。2003年,Ceder和團(tuán)隊(duì)首次證實(shí)了量子力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)庫如何幫助預(yù)測一種金屬合金最有可能的晶體結(jié)構(gòu)。對于任何從事新材料發(fā)明工作的人來說,這都是關(guān)鍵一步。


  過去,這些計(jì)算冗長且困難。即便對于超級計(jì)算機(jī)來說也是如此。機(jī)器不得不完成大量的反復(fù)試驗(yàn)以發(fā)現(xiàn)“基態(tài)”:能量在最低限度上并且所有力處于平衡狀態(tài)時的晶體結(jié)構(gòu)和電子組態(tài)。不過,在2003年發(fā)表的論文中,Ceder團(tuán)隊(duì)描述了一種捷徑。研究人員計(jì)算了一個小型二元合金(兩種不同金屬的混合物)庫中普通晶體結(jié)構(gòu)的能量,然后設(shè)計(jì)出一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法。該算法能從庫中提取模式,并推測一種新合金最有可能的基態(tài)。它運(yùn)行得不錯,使計(jì)算所需的時間大幅縮短。


  “這篇論文引入了材料屬性公共庫以及利用數(shù)據(jù)挖掘填充缺失部分的想法?!蓖荒觌x開Ceder團(tuán)隊(duì)并在杜克大學(xué)開創(chuàng)了自己的實(shí)驗(yàn)室的Stefano Curtarolo表示。隨后,該想法促成了兩個獨(dú)立項(xiàng)目的誕生。2006年,Ceder在MIT開啟材料基因組計(jì)劃,利用該算法的改進(jìn)版本預(yù)測用于電動汽車電池的鋰基材料。2010年,該計(jì)劃發(fā)展到囊括了約兩萬種預(yù)測的化合物。


  與此同時,Curtarolo在杜克大學(xué)成立材料基因組學(xué)中心,聚焦金屬合金研究。和來自猶他州楊百翰大學(xué)以及以色列內(nèi)蓋夫核子研究中心的研究人員一道,他逐漸將2003年的算法和數(shù)據(jù)庫擴(kuò)展成AFLOW—— 一個能對已知晶體結(jié)構(gòu)開展計(jì)算并自動預(yù)測新結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。


材料基因組學(xué)


  不過,直到2011年6月,計(jì)算材料科學(xué)才成為主流。當(dāng)時,白宮宣布了投資數(shù)百萬美元的“材料基因組計(jì)劃”(MGI)?!爱?dāng)白宮里的人們熟悉了Ceder的工作時,他們非常興奮?!泵绹鴩覙?biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院材料學(xué)家、MGI執(zhí)行秘書James Warren表示,“當(dāng)時,大家普遍意識到,計(jì)算機(jī)模擬已經(jīng)到了能對創(chuàng)新和制造業(yè)產(chǎn)生實(shí)際影響的時刻。更不用說‘基因組學(xué)’這個名字了。它會讓人聯(lián)想到一些宏偉的事情?!?/p>


  自2011年起,該計(jì)劃投資超過2.5億美元,用于軟件工具、旨在收集并報(bào)告實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化方法、在重點(diǎn)高校建立的計(jì)算材料科學(xué)中心以及高校和商業(yè)界就特定應(yīng)用研究開展的合作。不過,目前尚不明確這種慷慨真正對科學(xué)起到了多大的促進(jìn)作用?!霸撚?jì)劃促成了很多好事,但也產(chǎn)生了各種名頭?!盋eder說,“一些團(tuán)隊(duì)開始將它們的研究冠上各種基因組學(xué)的名頭,盡管兩者幾乎沒有任何關(guān)聯(lián)?!?/p>


  不過,MGI明確做到的一件事情是,幫助Ceder和其他人意識到建立材料屬性在線數(shù)據(jù)庫的愿景。2011年年底,Ceder及其團(tuán)隊(duì)前成員Kristin Persson(在Persson于2008年搬到加州勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室后,兩人繼續(xù)就該項(xiàng)目進(jìn)行合作)將他們的“材料基因組學(xué)計(jì)劃”更名為“材料計(jì)劃”。白宮要求他們放棄“基因組”的標(biāo)簽,以避免同國家計(jì)劃混淆。第二年,Curtarolo公布了自己的數(shù)據(jù)庫。它被稱為AFLOWlib,基于Curtarolo在杜克大學(xué)研發(fā)的軟件。2013年,西北大學(xué)材料研究人員Chris Wolverton啟動“開放量子材料數(shù)據(jù)庫”(OQMD)?!拔覀儚摹牧嫌?jì)劃’和AFLOWlib中借鑒了一些通用的概念?!盬olverton介紹說,“但軟件和數(shù)據(jù)是自己的?!?/p>


在歐洲的擴(kuò)張


  與此同時,材料基因組學(xué)進(jìn)入歐洲,盡管通常是以其他的名字出現(xiàn)。比如,瑞士創(chuàng)建了MARVEL。這是一個由研究機(jī)構(gòu)組成、針對計(jì)算材料科學(xué)的網(wǎng)絡(luò),其中EPFL 為主導(dǎo)、Marzari為負(fù)責(zé)人。利用一個新的計(jì)算平臺,Marzari正在創(chuàng)建一個名為“材料云”的數(shù)據(jù)庫。他正利用該數(shù)據(jù)庫搜尋二維材料,比如僅由單層原子或分子構(gòu)成的石墨烯。此類材料可被用于從納米級電子產(chǎn)品到生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的一切應(yīng)用。為找到好的候選材料,Marzari正在讓15余萬種已知材料經(jīng)歷一個被他成為“計(jì)算剝離”的過程:計(jì)算出將一個單層從普通晶體表面分離需要多少能量。等到今年晚些時候該數(shù)據(jù)庫準(zhǔn)備公開發(fā)布時,他希望初步的運(yùn)行將收獲約1500種潛在二維材料。


  而在幾公里之外的錫永鎮(zhèn),計(jì)算化學(xué)家Berend Smit成立了另一個EPFL中心。該中心致力于研發(fā)用于預(yù)測上萬種納米多孔沸石和金屬有機(jī)骨架材料的算法。隨后,其他算法會挑出從化石燃料發(fā)電廠的煙道中吸收二氧化碳的最佳候選材料。


  Smit的工作還證實(shí),材料基因組學(xué)會帶來壞消息。很多研究人員曾希望利用納米多孔材料建立能在更小空間內(nèi)儲存更多甲烷的汽車油箱。不過,在篩選了65萬余種通過計(jì)算得出的材料后,Smit團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,大多數(shù)最佳材料已被制造出來。新材料只能帶來輕微的改善,而美國相關(guān)部門(打賭甲烷儲備會出現(xiàn)重大技術(shù)改進(jìn))目前設(shè)置的能量目標(biāo)可能并不現(xiàn)實(shí)。


  無論如何,Marzari認(rèn)為,“我們已從計(jì)算材料科學(xué)的手工時代進(jìn)入工業(yè)化階段”?!叭缃?,我們能創(chuàng)建仿真裝配鏈,讓它們發(fā)揮作用,并且以全新的方法探究問題?!盡arzari說。然而,目前還未有通過計(jì)算預(yù)測出來的材料出現(xiàn)在市場上。“讓我們10年后再談?wù)撨@個問題。”芝加哥大學(xué)計(jì)算材料學(xué)家Giulia Galli表示,“我認(rèn)為,到時會出現(xiàn)很多這種材料。

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