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 在過(guò)去的十年中，科學(xué)家們使用超級(jí)計(jì)算機(jī)和先進(jìn)的模擬軟件預(yù)測(cè)出在新一代能源技術(shù)中將有上百種具有優(yōu)異特性的新材料。

而現(xiàn)在，他們需要的是弄清楚如何將這些材料真正地制作出來(lái)。

為了預(yù)估出制作材料的最佳配方，他們首先需要更好地理解它的構(gòu)成方式，包括它在整個(gè)過(guò)程中經(jīng)歷的所有階段狀態(tài) - 可能其中一些本身就是有用的。

現(xiàn)在能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了一種新的計(jì)算方法對(duì)材料合成的預(yù)測(cè)能力。研究人員表示，這種方法是在美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的，它可以簡(jiǎn)化太陽(yáng)能電池、電池和其他可持續(xù)技術(shù)的新材料的開發(fā)過(guò)程。

SLAC杰出的科學(xué)家Michael Toney說(shuō)：“在過(guò)去10年中，計(jì)算科學(xué)家已經(jīng)非常擅長(zhǎng)預(yù)測(cè)新材料的性質(zhì)，但不太擅長(zhǎng)像我們這樣說(shuō)明這些材料的制作方法，伯克利實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的理論框架可以幫助我們思考如何合成并測(cè)試這些有廣闊前景的材料。”

科學(xué)家們將材料的構(gòu)成成分裝載在薄玻璃管上，并使用X射線（左上角）觀察其形成時(shí)所經(jīng)歷的相（如氣泡所示）。

在SLAC的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們裝載了將材料制成薄玻璃管的成分，并使用X射線（左上角）觀察其形成過(guò)程中所經(jīng)歷的相（如氣泡所示）。該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了伯克利實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在超級(jí)計(jì)算機(jī)的幫助下做出的理論預(yù)測(cè)（右圖）。 （圖片來(lái)源：Greg Stewart / SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室）

該團(tuán)隊(duì)在Nature Communications（“了解導(dǎo)致氧化錳多晶型物形成的結(jié)晶途徑”）上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。

亞穩(wěn)材料

SLAC應(yīng)用能源計(jì)劃的助理科學(xué)家，該研究的共同作者，Laura Schelhas說(shuō)：“大多數(shù)理論方法都非常適合預(yù)測(cè)反應(yīng)的終點(diǎn) - 你開始使用什么化學(xué)物質(zhì)，最后得到什么材料，但反應(yīng)過(guò)程中形成的其他有用材料往往被忽視。”

這些中間材料往往以亞穩(wěn)態(tài)存在。

Schelhas解釋道：“我們總是希望處材料于最低能量階段或基態(tài)，而處于亞穩(wěn)態(tài)的材料能量較高，最終會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦€(wěn)定的基態(tài)。例如，一顆鉆石是一種亞穩(wěn)態(tài)碳，將在數(shù)百萬(wàn)年后恢復(fù)到其基態(tài)石墨。“

在合成過(guò)程中，材料可以結(jié)晶成一系列亞穩(wěn)相 - 一些只能保持幾分鐘，另一些能保持?jǐn)?shù)小時(shí)。其中一些階段的材料可能具有對(duì)應(yīng)用有用的特性。還有一些甚至可能會(huì)阻止目標(biāo)材料的形成。科學(xué)家們想要分離出有用的階段，避免那些會(huì)產(chǎn)生不良反應(yīng)的階段。

論文的共同作者，伯克利實(shí)驗(yàn)室的Wenhao Sun和Gerbrand Ceder以及麻省理工學(xué)院的Daniil Kitchaev最近開發(fā)了一個(gè)理論模型來(lái)預(yù)測(cè)材料在合成過(guò)程中會(huì)形成哪些亞穩(wěn)相。

Sun說(shuō)：“關(guān)鍵是考慮可能影響材料形成的溫度和壓力以外的影響，例如，在非常小的范圍內(nèi)，表面能量很重要，材料從周圍環(huán)境中吸收的雜質(zhì)可以穩(wěn)定某些類型的晶體結(jié)構(gòu)。我們開發(fā)了一種理論來(lái)量化這些因素如何控制亞穩(wěn)相的形成，然后與SLAC合作設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行測(cè)試。“

該實(shí)驗(yàn)在SLAC的斯坦福同步輻射光源（SSRL）中進(jìn)行，重點(diǎn)是觀察氧化錳的形成，這種化合物的形成可能涉及多種亞穩(wěn)晶體結(jié)構(gòu)。其中的一些亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)可用于電池應(yīng)用或催化。

“雖然錳氧化物已被廣泛研究，但我們?nèi)匀徊惶私馊绾沃圃斐鎏囟ǖ膩喎€(wěn)相，”Toney說(shuō)。 “弄清楚為什么某些配方有利于某些亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)將不僅有助于我們預(yù)測(cè)合成的這種材料配方，也將有助于其他材料的配方預(yù)測(cè)。”

理論與實(shí)驗(yàn)

Sun和Schelhas設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，仔細(xì)控制配方中的單一成分，制備氧化錳并追蹤其對(duì)亞穩(wěn)晶體形成的影響。

由博士后研究員Bor-Rong Chen領(lǐng)導(dǎo)的SLAC科學(xué)家在SSRL上使用強(qiáng)大的X射線束來(lái)觀察化學(xué)反應(yīng)。

“這很簡(jiǎn)單，”Schelhas說(shuō)。 “我們將錳鹽和其他反應(yīng)物質(zhì)裝入一個(gè)小玻璃毛細(xì)管中，密封并加熱。然后我們?cè)诜磻?yīng)發(fā)生時(shí)通過(guò)毛細(xì)管拍攝X射線并觀察從晶體反射出的信號(hào)。這些信號(hào)使我們能夠確定每個(gè)亞穩(wěn)相的原子結(jié)構(gòu)。“

Chen說(shuō)，起初，通過(guò)X射線衍射確定的亞穩(wěn)相似乎與理論預(yù)測(cè)不符。

“我們與伯克利實(shí)驗(yàn)室的理論家合作，對(duì)該模型進(jìn)行了重組，”她說(shuō)，“并得出了一些解釋，說(shuō)明為什么某些亞穩(wěn)相可能會(huì)在反應(yīng)過(guò)程中被跳過(guò)，或者為什么它們的持續(xù)時(shí)間可能比我們預(yù)期的要長(zhǎng)。”

為了繼續(xù)發(fā)展他們對(duì)合成的理解，研究人員計(jì)劃在更復(fù)雜的材料上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

Sun說(shuō)：“這項(xiàng)工作僅標(biāo)志著材料合成預(yù)測(cè)理論更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的初步步驟，我們的目標(biāo)是建立一個(gè)強(qiáng)大的工具包來(lái)設(shè)計(jì)配方，以準(zhǔn)確制出我們想要的材料。”

Schelhas說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，他們可以在形成亞穩(wěn)材料的階段停止反應(yīng)，這樣就可以在未來(lái)的研究中測(cè)試這些材料的性能。

“在理解材料如何進(jìn)行合成上，我們開始將科學(xué)推向一個(gè)新的領(lǐng)域，”她補(bǔ)充說(shuō)， “預(yù)測(cè)模型有可能深刻改變材料設(shè)計(jì)的方式。這可以大大推動(dòng)在光伏、電池、熱電和其他一系列可持續(xù)技術(shù)領(lǐng)域更先進(jìn)材料的使用。”