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南大團(tuán)隊(duì)用“煉丹術(shù)”找到材料合成新范式，AI賦能材料研究巨大潛力
文章來源：中國科學(xué)報(bào)     更新時(shí)間：2024-05-07 09:58:23
南京大學(xué)物理學(xué)院副教授梁世軍、教授繆峰團(tuán)隊(duì)首次提出了“片上材料合成實(shí)驗(yàn)室”的概念。利用熱驅(qū)動原理，控制器件上電極釋放的活性金屬原子在溝道材料中的擴(kuò)散，在片上原位合成了可變化學(xué)計(jì)量比的多種材料。這些合成的材料展現(xiàn)出超導(dǎo)電性、可與p型半導(dǎo)體形成超低的接觸電阻，以及可比擬傳統(tǒng)貴金屬催化劑的優(yōu)異電催化性能。4月25日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然—材料》。



類比“煉丹”的材料合成新范式



煉丹術(shù)是中國古代道教的一種方術(shù)。以追求長生不老為目標(biāo)。為了追求這一目標(biāo)，煉丹師們研究各種材料，逐步意識到材料的微觀結(jié)構(gòu)對材料性質(zhì)至關(guān)重要，并試圖通過改變材料的原子組成和排列方式，探索材料的新功能。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究人員不斷嘗試探索全新的材料合成范式。



低維材料在物理、化學(xué)、生物以及電子等領(lǐng)域的發(fā)展中扮演著越來越重要的角色。不同的應(yīng)用依賴于不同性質(zhì)的材料，對低維材料的合成提出了可定制化的要求。然而，傳統(tǒng)的材料合成通常依賴于龐大的實(shí)驗(yàn)空間和漫長的時(shí)間等待，無法兼容原位的電學(xué)測量和器件應(yīng)用，這使得材料合成與應(yīng)用之間存在較高的技術(shù)壁壘。因此，探索全新的低維材料合成范式，成為了材料科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)倍受關(guān)注的重要議題。



研究團(tuán)隊(duì)提出了片上原位相變工程的概念。類比于傳統(tǒng)材料生長中的前驅(qū)體供給過程，電極中的活性金屬原子在熱驅(qū)動作用下擴(kuò)散進(jìn)入二維材料，由此可在器件上原位合成一系列不同化學(xué)計(jì)量比的新材料。通過對相變區(qū)域的原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的表征與分析，結(jié)合理論計(jì)算，提出了可指導(dǎo)片上低維材料原位、可定制化合成的新原理相圖，并展示了片上相變工程在電學(xué)輸運(yùn)、電子器件性能改善、高效電催化方面的應(yīng)用潛力。研究團(tuán)隊(duì)揭示了片上原位相變工程的內(nèi)在機(jī)制，并深入探索了其在二維材料體系中的普適性。



該研究中所提出的“片上材料合成實(shí)驗(yàn)室”作為一種低維材料合成的全新范式，消除了低維材料合成與應(yīng)用之間的技術(shù)壁壘，為未來信息、能源、環(huán)境等領(lǐng)域應(yīng)用所需的智能材料的開發(fā)開辟了一條全新的路徑。



繆峰：瞄準(zhǔn)二維材料領(lǐng)域前沿



繆峰：1982年生，江蘇海安人，南京大學(xué)物理學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師、副院長，南京大學(xué)類腦智能科技研究中心主任。主要從事凝聚態(tài)物理、納米電子學(xué)領(lǐng)域研究，具體方向包括二維材料量子調(diào)控研究、二維材料信息器件研究等。先后獲得過江蘇省雙創(chuàng)計(jì)劃、江蘇省杰出青年基金、國家杰出青年科學(xué)基金等資助。2021年獲中國物理學(xué)會“黃昆物理獎”。



本科畢業(yè)后，繆峰又按照自己的想法，出國攻讀物理學(xué)博士學(xué)位，選擇了當(dāng)時(shí)還很少人關(guān)注的二維材料領(lǐng)域，圍繞其基礎(chǔ)物理性質(zhì)開展研究。



二維材料是世界上最薄的材料，厚度僅有一個(gè)原子。“要在實(shí)驗(yàn)中獲取這樣薄的材料非常具有挑戰(zhàn)性——需要用最鋒利的‘刀’才能‘削’出來。在實(shí)驗(yàn)過程中，我和導(dǎo)師一起邊干邊學(xué)。”繆峰說。



2022年9月，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表了繆峰團(tuán)隊(duì)在量子模擬前沿的最新突破——把兩個(gè)石墨烯雙原子層以旋轉(zhuǎn)180度+0.75度的角度疊加，施加一個(gè)垂直電場后，得到了一種全新的量子材料，并首次觀測到量子“中間態(tài)”。這一創(chuàng)新成果，未來有望應(yīng)用于人工智能硬件技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域，改變?nèi)藗兊纳睢?/span>



未來材料AI創(chuàng)制路在何方？



盡管近年來在加強(qiáng)材料AI創(chuàng)制領(lǐng)域我國已取得了不少業(yè)績，但與世界一流高校科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)巨頭相比，還有很大距離。他勉勵(lì)與會科研人員努力搶占材料革命性合成探索時(shí)代機(jī)遇，在“材料創(chuàng)智”領(lǐng)域勇于開展原始創(chuàng)新、有用創(chuàng)新和極致創(chuàng)新，為實(shí)現(xiàn)“AI(Artificial Intelligence人工智能)+ HI(Human Intelligence、人類智能)”的人機(jī)有機(jī)結(jié)合不懈奮斗。



如何充分釋放AI的巨大潛力？



當(dāng)前，材料科學(xué)研究范式，正在加速由試錯(cuò)轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)測，從手腦研究進(jìn)化至人機(jī)互動。上海交大材料科學(xué)與工程學(xué)院講席教授、未來材料創(chuàng)制中心副主任汪洪認(rèn)為，數(shù)據(jù)是運(yùn)用人工智能的基本前提，AI賦能人類知識創(chuàng)造需首要解決數(shù)據(jù)“夠用”與“好用”的問題，因此，未來材料AI創(chuàng)制的研究范式需逐步完善研究技術(shù)的高通量化、材料表征的多參量化、數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化與數(shù)據(jù)生產(chǎn)的工廠化。



材料信息學(xué)是一門集材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、物理、化學(xué)等多學(xué)科交叉的學(xué)科，然而，這樣的交叉人才是非常稀缺的。因此，開發(fā)一個(gè)連接材料科學(xué)與人工智能的‘橋梁’，緊密連接材料科學(xué)與人工智能等學(xué)科，不僅可以促使材料科學(xué)的研究者高效、有效地利用AI工具建立材料預(yù)測模型，而且還能啟發(fā)更多人工智能學(xué)者進(jìn)行先進(jìn)算法的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用落地。

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來源：賢集網(wǎng)
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