Nature Materials評論：推動材料理論模擬的發展

材料牛注：材料建模領域有許多基本的障礙，如對于實驗原始數據的獲得，發展進程的速度緩慢。政府和一般民眾對于材料建模的舉措將幫助我們很快克服當前遇到的瓶頸。

在材料研究過程中，理論和計算的建模是必不可少的一環。由從頭算和其他的建模方法提供對材料性能的探究對于基礎和工業化為導向的材料研究至關重要，例如，越來越多的論文和國際專利是利用了密度泛函理論（是一種材料科學領域廣泛使用的建模方法）計算，這也反映了建模的重要性。（圖1）

圖1 過去25年內每年利用密度泛函理論計算發表的論文和國際專利的數量

建模大大的減少了從對于先進材料基礎研究到制造成品的這個時間跨度。為了提高國家的工業競爭力，因此政府已經開始推出多項舉措來提升當前建模水平。在2011年，美國總統奧巴馬宣布啟動材料基因組計劃，希望能夠復興美國的制造業。這項計劃獲得了聯邦政府總共2.5億美元的資助，旨在將材料科學的研究與科學和產業政策、財政和基礎設施資源協調整合起來，從而加快發現和制造新材料的進程。

在這樣的框架之內，材料科學家與實驗專家、理論專家、計算機科學家之間相互配合，依靠這些不同領域的協調合作的計劃也開始實施。一個叫“Materials Project”的計劃是各個組織之間協調合作的典范，這個計劃目的是通過提供在線的開放數據庫來加快設計新材料和數據挖掘的分析工具的腳步。目前，這個數據庫包含超過66000種化合物的性質和密度泛函模型。通過這個數據庫，人們已經發現新的電池材料、透明氧化物導電電極和熱電材料。

歐盟委員會也意識到建模對于縮短先進材料基礎研究到制造材料成品的這個時間跨度至關重要。他們提出，將一個適應性廣的重要技術與納米技術、生物技術、先進的制造業結合起來，以此來推進歐盟工業現代化和先進可持續的經濟的發展，這些技術成為歐盟展望2020和創新計劃的一個支柱。歐洲在人力資源方面有很大的潛力，大約有11000名材料建模的研究者，世界上一半的從頭算學術團體是在歐洲國家。

除了政府的計劃，民間也提出了很多措施來解決材料建模的問題。例如，Psi-k組織，它是以歐洲為基礎的世界性團體，由超過2000名科學家組成，他們的主要目的在于通過加強不同團體的合作，組織學術會議和開辦培訓班，大型計算設備的配合應用，加強工業和政策制定者的相互交流來促進第一性原理計算材料科學（包括基礎理論、算法和編碼）的發展。另外的一個積極的民間舉措就是歐洲材料建模委員會的成立，這個委員會旨在通過強化利用建模，從而將歐洲不同的建模活動與提高歐洲工業競爭力結合起來。

另外的一個“自下而上”的方案已經在更多的地區得到了發展。例如，來自倫敦大學學院的Angelos Michaelides是Thomas Young中心的其中一個聯合主任，他在一個訪談節目當中解釋到，Thomas Young中心是作為一個致力于材料的理論與模擬研究且以倫敦團體為基礎的聯盟。2016年2月在倫敦舉辦了Thomas Young中心成立10周年的紀念日活動，活動主題為：材料建模前沿研討會。來自巴黎綜合理工大學的Nicola Marzari在會上討論的范圍很廣，如對于擬合精確性的局限，從頭算模型實施的復雜性和計算能力這些方面的闡述。

財政的支持，編碼、算法、研究方法的完善、大型計算設備的使用權限這些條件，在政府和研究團體的促進下有可能達到，這將幫助我們解決材料建模的這些挑戰。然而，正如Michaelides解釋的那樣，實驗團體的參與對于這個領域的進步至關重要。

當前，無法獲取原始實驗數據是許多建模團體發展中的一個很大阻礙。而克服這個問題的辦法也已經開始實施，例如，在2014年Springer Nature 推出了一個名為Scientific Data 的雜志，這個雜志是一個開放獲取、同行評審的雜志，它出版的內容是對于原始數據可獲得的說明，這使得人們更容易發現、解釋和重復利用好原始數據。此外，對于包括Nature雜志在內的許多出版機構來說，實驗數據和電腦編碼的完全可用性需求是不斷增多的。為了促進材料建模的發展，人們在鼓勵實驗者分享他們的有用實驗數據方面還有很多工作需要做。

該評論發表在Nature Materials (IF: 36.503) 最新一期（April 2016, Volume 15 No 4）上。

本文由材料人科普團隊學術組朱德杰供稿，材料牛編輯整理。

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