美國(guó)研究人員開(kāi)發(fā)出了世界上最大的單質(zhì)晶體表面與形狀數(shù)據(jù)庫(kù)Crystalium，可以幫助人們開(kāi)發(fā)出更優(yōu)秀的固態(tài)電池和燃料電池。

Crystalium是加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師借助勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的材料項(xiàng)目（MaterialsProject）開(kāi)發(fā)出來(lái)的，可以幫助研究人員設(shè)計(jì)在表面與界面工藝中扮演重要角色的新材料，比如燃料電池、催化轉(zhuǎn)化器、集成電路和固態(tài)電池。

“這項(xiàng)工作是研究材料表面與界面的一個(gè)重要起點(diǎn)，借此可以發(fā)現(xiàn)許多新的屬性。我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新的資源，它可以用來(lái)更好地理解表面科學(xué)，并為受表面推動(dòng)的技術(shù)找到更好的材料。”加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程教授ShyuePingOng表示。

舉例來(lái)說(shuō)，燃料電池性能部分受到金屬催化劑表面的氫氧等分子反應(yīng)的影響。另外，可充電鋰離子電池的電極與電解液之間的接觸界面會(huì)發(fā)生可能限制電池性能的各種化學(xué)反應(yīng)。

“研究人員可以利用這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)確定哪些元素或材料更可能成為制氨或從水中提取氫氣等過(guò)程中的有效催化劑。”O(jiān)ng的材料虛擬實(shí)驗(yàn)室的一位納米工程博士研究生RichardTran指出。

上述數(shù)據(jù)庫(kù)可以提供元素周期表中72種元素的100種以上多晶體的表面能量和均衡晶體形狀。表面能量對(duì)于設(shè)計(jì)主要在其表面展現(xiàn)功能的材料來(lái)說(shuō)非常有用，比如催化劑和納米顆粒。

“這是‘虛擬實(shí)驗(yàn)室’可以創(chuàng)造最大價(jià)值的領(lǐng)域之一——允許我們以很難在實(shí)驗(yàn)中做到的方式精確地控制模型和條件。”O(jiān)ng表示。另外，對(duì)每種晶體來(lái)說(shuō)表面能量不只是單純數(shù)字，因?yàn)樗€取決于晶體的方向。“晶體是原子的一種規(guī)則排列。當(dāng)在不同的位置并以不同的角度切割晶體時(shí)，可以暴露出原子以獨(dú)特方式排列的不同面。”他指出。

因此Ong和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了復(fù)雜的自動(dòng)化工作流程，用于根據(jù)一些基本原理計(jì)算表面能量，方法是使用材料項(xiàng)目的PythonMaterialsGenomics庫(kù)和Fireworks的工作流程代碼、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的圣地亞哥超級(jí)計(jì)算機(jī)中心和國(guó)家能量研究科學(xué)計(jì)算中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

“用于計(jì)算表面能量的技術(shù)幾十年前就有了。當(dāng)前的主要成就是整理如何以魯棒、高效的方式生成表面模型并執(zhí)行這些復(fù)雜的計(jì)算。”Tran透露。

針對(duì)Crystalium，團(tuán)隊(duì)與伯克利實(shí)驗(yàn)室的材料項(xiàng)目研究人員一起，通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算出類(lèi)似谷歌的材料屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。“材料項(xiàng)目被設(shè)計(jì)成一個(gè)開(kāi)放的可訪問(wèn)的工具，科學(xué)家和工程師都可以用它來(lái)加速材料的創(chuàng)新。”伯克利實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目創(chuàng)始人KrisTInPersson表示，“在5年的時(shí)間內(nèi)，它吸引了2萬(wàn)多用戶研究從電池到太陽(yáng)能光伏到熱電子的所有對(duì)象。特別可喜的是能看到像Ong等科學(xué)家提供大量人們感興趣的高質(zhì)量運(yùn)算數(shù)據(jù)，并免費(fèi)開(kāi)放給公眾訪問(wèn)。”

今后該團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步擴(kuò)大數(shù)據(jù)庫(kù)范圍，從單種元素?cái)U(kuò)展到多種元素化合物（如合金），這些化合物可以由兩種或更多種不同金屬元素組成，也可以是由氧和另外一種元素組成的二元氧化物。他們還將研究常見(jiàn)吸附質(zhì)（如氫）對(duì)表面能量的影響，這是理解水媒介表面穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

“隨著我們繼續(xù)完善這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，我們希望研究人員把它當(dāng)作一種有用的資源用于合理地設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的目標(biāo)表面或界面屬性。”O(jiān)ng指出。