從原子尺度理解化合物“結(jié)構(gòu)-物性”間的構(gòu)效關(guān)系是物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的基本問(wèn)題，厘清物質(zhì)微觀局域結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)特征，有助于科學(xué)家更好地闡釋物理、材料、化學(xué)等學(xué)科中的科學(xué)問(wèn)題。當(dāng)今，廣泛使用的物質(zhì)科學(xué)基本數(shù)據(jù)多源自20世紀(jì)中后期，數(shù)值較為陳舊。例如，物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域廣泛使用近半個(gè)世紀(jì)的離子半徑數(shù)值源自20世紀(jì)60年代的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，隨著材料科學(xué)數(shù)據(jù)的積累，海量數(shù)據(jù)將帶給物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域新數(shù)值與新認(rèn)知。

近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員孟勝、特聘研究員劉淼，與美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室教授Kristin A. Persson合作，系統(tǒng)地分析了3萬(wàn)余個(gè)過(guò)渡金屬氧化物的晶體信息，提煉出過(guò)渡族金屬離子的配位結(jié)構(gòu)、價(jià)態(tài)、離子鍵長(zhǎng)、原子磁矩、Jahn-Teller效應(yīng)導(dǎo)致的局部形變、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等物理量的詳細(xì)信息，取代廣泛使用近半個(gè)世紀(jì)、僅用“離子半徑”一個(gè)參數(shù)表征材料的傳統(tǒng)做法。

本工作表明每種過(guò)渡族金屬離子均具有各自的“形狀”“尺寸”和“原子磁矩”，從而勾畫出固體中每種過(guò)渡金屬離子的“個(gè)性”畫像；通過(guò)人工智能方法，進(jìn)一步獲取過(guò)渡金屬離子的結(jié)構(gòu)相似性“模板”，可用于指導(dǎo)新材料設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性快速評(píng)估。

依據(jù)上述離子的結(jié)構(gòu)相似性知識(shí)，該團(tuán)隊(duì)借助離子替換擴(kuò)展了人類已知的化合物空間，生成了6萬(wàn)余個(gè)人類未知的新結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行高通量計(jì)算，找到5千個(gè)穩(wěn)定的新化合物（Ehull < 20meV/atom），這些新材料易被試驗(yàn)合成，有效地?cái)U(kuò)展了材料科學(xué)的化合物“版圖”。該研究為探索更廣闊的無(wú)機(jī)材料相空間提出了新思路，所有化合物信息均可在Atomly材料數(shù)據(jù)庫(kù)（https://atomly.net/）查詢。

相關(guān)研究成果以Persona of Transition Metal Ions in Solids: A Statistical Learning on Local Structures of Transition Metal Oxides為題，發(fā)表在Advanced Science上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中科院等的支持。

圖1.過(guò)渡金屬離子在局域環(huán)境中的配位偏好（離子的“形狀”）

圖2.3d TM-O鍵長(zhǎng)與價(jià)態(tài)、熱力學(xué)穩(wěn)定性的關(guān)系

圖3.3d過(guò)渡金屬離子的原子磁矩與價(jià)態(tài)和Jahn-Teller效應(yīng)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖4.過(guò)渡金屬離子的局域結(jié)構(gòu)相似性。深色代表高相似性

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院物理研究所