頂刊動態|Science/Nature子刊/Chemical Reviews等計算材料學術進展匯總（160524期）

1、Chemical Reviews: 用于材料發現和材料優化的改進算法（綜述）

材料科學正在經歷一場革命，產生了許多有價值的新型材料。然而，潛在的可獲得材料的數量是巨大的，如果僅僅通過單獨的物理實驗獲取，效率低下，進展緩慢。而人工改進算法，比如遺傳算法，可以探索大而復雜的搜索空間，更高效快速地識別和選擇新材料，極大地促進了人類對新材料的認識和利用。

近日，澳大利亞科學家David A. Winkler等人綜述了大部分已經報道的改進算法，并總結了它們在識別有價值的新材料，優化已有材料性能方面的應用。該項工作全面地總結了改進算法在發現新型催化劑，熒光材料等眾多材料的應用發展狀況，分析了改進算法對制造業，醫藥和材料工業等領域改革的潛力。

圖1 改進算法的流程圖

文獻鏈接：Discovery and Optimization of Materials Using Evolutionary Approaches?（Chem. Rev., 2016, DOI: 10.1021/acs.chemrev.5b00691 ）

2、Nano Letters : 氫化作用顯著增強五角石墨烯的熱傳導性

熱耗散一直被認為是納米電子學領域非常重要的現象之一。當電子在加載電壓下定向運動時，電流會產生耗散熱。由于基于二維材料的納米電子學中，單層器件的小熱容量特性，因此，尋求高熱傳導材料對納米電子學的發展是非常迫切的。

近日，美國圣母大學Tengfei Luo等人利用第一性原理晶格動力學和聲子玻爾茲曼輸運方程的迭代解法計算了五角石墨烯（PG）及其衍生物——氫化五角石墨烯（HPG）的熱傳導性，結果表明：相比五角石墨烯，氫化五角石墨烯的熱傳導性提高了76%，高于絕大多數的二維材料。并且分析了氫化作用對PG熱傳導性提高的機理。這種方法在計算各種晶體的熱傳導性方面具有很高的準確性。

圖2 五角石墨烯（PG）和氫化五角石墨烯（HPG）的結構示意圖

文獻鏈接：Hydrogenation of Penta-Graphene Leads to Unexpected Large Improvement in Thermal Conductivity?（Nano Lett., ?2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01536）

3、Nano Letters: 蝶形和星形過渡金屬硫化物（TMDCs）納米島形成的局部化學

對于CVD方法生長石墨烯的機理，從原子模擬到標準晶體生長理論，已經形成了合理全面的理解。而對于過渡金屬硫化物（TMDCs），由于其合成路徑的多樣性，其生長機理還不是很清晰。但是，我們可以從一些島嶼形狀TMDCs的生長入手，推斷其生長機理。

近日，美國萊斯大學Boris I. Yakobson等人通過研究島嶼形狀TMDCs同時生長的碰撞行為，提出了TMDCs復雜形狀的形成機理。并用相場模擬理論，論證從任意開始條件都可以形成高度對稱的結構，從而驗證了該機理的正確性。此外，他們還利用第一性原理計算對60度晶格取向角高度對稱多晶的優勢進行了解釋。

圖 3 星形多晶和蝶形多晶

文獻鏈接：Topochemistry of Bowtie- and Star-Shaped Metal Dichalcogenide Nanoisland Formation?（Nano Lett., ?2016,?DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00986 ）

4、Nature Communications: 集體運動對范德華異質結的超快電荷轉移的作用

二維層狀材料形成范德華異質結的成功，取決于以新器件概念和應用為基礎的界面電荷轉移的正確理解。在傳統的異質結中，強界面耦合對電荷轉移非常重要。然而，最近的實驗發現表明：盡管范德華異質結的界面耦合較弱，但其存在著超快的電荷轉移特性。對此反常行為，該怎么理解呢？

近日，美國倫斯勒理工學院Vincent Meunier等人運用含時密度泛函理論分子動力學，發現界面激子的集體運動產生伴隨光激發的等離振蕩。通過構建一個簡單的范德華異質結模型，作者發現振蕩的存在，加速了界面的電荷轉移。這個現象和MoS2/WS2異質結實驗結果相吻合，表明在100飛秒內，電荷已完成轉移。

圖 4 MoS2/WS2異質結的工作示意圖

文獻鏈接：The role of collective motion in the ultrafast charge transfer in van der Waals heterostructures?（Nature Communications, 2016, DOI:10.1038/ncomms11504）

5、Science：量化ZnO對銅催化甲醇合成的促進效率

促進劑可以顯著增強或抑制催化劑的表面活性和選擇性。人們普遍認為，促進劑可以對催化活性位點進行電子調制或者改變催化劑的形態，以顯著增加催化劑活性位點的數量，進而提高催化活性。但是由于反應中促進劑的含量極少，因此對其細節理解是很困難的。

近日，丹麥技術大學Jens Sehested等人研究了ZnO納米顆粒作為促進劑，提升Cu納米顆粒催化合成氣體合成甲醇的催化特性的內部機理。通過組合表面面積滴定，電子顯微鏡，活性測量，密度泛函理論計算和模擬，作者證明了促進作用和Zn原子在Cu表面的遷移有關。Zn覆蓋面可以被定量描述成Cu和ZnO納米顆粒的熱力學活性和甲醇合成條件的函數。此外，實驗數據揭露了甲醇合成活性和Zn覆蓋面之間有強相關性。這些結果表明，納米顆粒的活性和顆粒尺寸關系密切，特別是在雙納米顆粒系統中。

圖 5 納米顆粒的分布電鏡成像

文獻鏈接：Quantifying the promotion of Cu catalysts by ZnO for methanol synthesis?（Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aaf0718）

6、Physical Review Letters: 體心斜方晶系C16：一種新的拓撲節點線半金屬

碳是一種極其多面的元素，其單質有很多種類的同素異形體，具有眾多迷人的性質。目前，大家熟知的有石墨，石墨烯，碳納米管，富勒烯等，在各個行業領域都具有舉足輕重的應用價值。

近日，中科院物理所王建濤等人發現了一種新的碳同素異形體，他們在所有的sp2雜化網絡中，通過從頭計算識別出了一個新的拓撲半金屬碳相，其單胞為16C體心斜方，被命名為bco-C16。總能量計算表明bco-C16比固態fcc-C60更穩定，聲子和分子動力學模擬證明其動力學的穩定性。這個全是sp2雜化的碳同素異形體被認為是石墨的三維變形。電子能帶結構計算表明bco-C60是一種拓撲節點線半金屬。這項工作確立了一種新的碳同素異形體，并研究了其電子結構和性質。

圖6 bco-C60的原子結構和聲子色散圖

文獻鏈接：Body-Centered Orthorhombic C16: A Novel Topological Node-Line Semimetal?（Phys. Rev. Lett. , 2016, ?DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.195501）

本文由材料人學術組新銳作者靈寸供稿，材料牛編輯整理。

材料人組建了材料人材料計算交流QQ群，歡迎從事材料計算的材料人們加入！QQ群號：562663183。