俄中学者建立高通量材料搜索新算法发现新型超硬碳材料

实现高通量的材料发现是众多材料学家不懈追求的目标，然而当下还没有一种能够搜索化合物整个晶体结构构型空间（Configuration Space， CS）的完备方法。俄罗斯萨马拉国立科技大学的VladislavBlatov教授与中国西北工业大学材料学院的曾庆丰副教授团队联合开发了一种新型高通量晶体构型空间拓扑搜索算法，能够从任意的材料初始结构出发，完成对具有海量原子排列组合的晶体构型空间的有效扫描筛选，从而发现新型材料结构。最新的研究成果发表于《npj Computational Materials》。（Vladislav A. Blatov*， Changhao Yang， Dingyi Tang， Qingfeng Zeng*， Andrey A. Golov & Artem A. Kabanov. High-throughput systematic topological generation of low-energy carbon allotropes. npj Computational Materials 2021， 7: 15.http://www.nature.com/articles/s41524-021-00491-y，图1）。

该算法基于该团队前期研究提出的固态相变拓扑网络模型（见Vladislav A. Blatov*， Andrey A. Golov， Changhao Yang， Qingfeng Zeng* & Artem A. Kabanov. Network topological model of reconstructive solid-state transformations. Scientific Reports 2019， 9: 6007. http://www.nature.com/articles/s41598-019-42483-5），通过对原子间化学键的连通与拆解，遍历物质拓扑构型空间。该算法具有普适性，并且具有明确的物理数学含义，不但计算效率高，而且可揭示物质结构的相转变机理，从而实现物质结构的高通量完备预测（图2）。该算法能缩短新材料的开发周期，指导实验合成各种高性能的新结构，降低新材料研发成本，并阐明材料的结构-性质关系（图3）。

采用这种新型高通量晶体构型空间拓扑搜索算法发现了一系列含有6元碳原子环嵌片的新型碳材料（图4），通过维氏硬度模型（见Superlattices & Microstructures 2015， 79: 156-165.）计算，发现其中一种新型碳材料（43T16-CA）的硬度（91.16GPa）超过金刚石（90.43GPa）。

该研究得到俄罗斯科学基金（项目号16-13-10158）、中国国家重点研发计划（项目号2017YFB0703200）和中国国家自然科学基金（项目号51972268、51372203、51761135032）的资助。

《npj Computational Materials》由Springer Nature出版集团与中国科学院上海硅酸盐研究所合作出版，是发表由理论指导和计算设计发现新材料研究成果的高端平台。

图1.论文截图

图2.高通量拓扑构型搜索算法在碳材料发现中的应用

图3.四配位碳同素异形体的体积模量和剪切模量与密度的关系

图4.碳材料拓扑结构转变与新发现硬度高于金刚石的碳同素异形体（43T16-CA）