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 在過去的十年中，科學家們使用超級計算機和先進的模擬軟件預測出在新一代能源技術中將有上百種具有優異特性的新材料。

而現在，他們需要的是弄清楚如何將這些材料真正地制作出來。

為了預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成方式，包括它在整個過程中經歷的所有階段狀態 - 可能其中一些本身就是有用的。

現在能源部SLAC國家加速器實驗室的實驗證實了一種新的計算方法對材料合成的預測能力。研究人員表示，這種方法是在美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室開發的，它可以簡化太陽能電池、電池和其他可持續技術的新材料的開發過程。

SLAC杰出的科學家Michael Toney說：“在過去10年中，計算科學家已經非常擅長預測新材料的性質，但不太擅長像我們這樣說明這些材料的制作方法，伯克利實驗室開發的理論框架可以幫助我們思考如何合成并測試這些有廣闊前景的材料。”

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

在SLAC的一項實驗中，科學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）觀察其形成過程中所經歷的相（如氣泡所示）。該實驗驗證了伯克利實驗室的科學家在超級計算機的幫助下做出的理論預測（右圖）。 （圖片來源：Greg Stewart / SLAC國家加速器實驗室）

該團隊在Nature Communications（“了解導致氧化錳多晶型物形成的結晶途徑”）上發表了他們的發現。

亞穩材料

SLAC應用能源計劃的助理科學家，該研究的共同作者，Laura Schelhas說：“大多數理論方法都非常適合預測反應的終點 - 你開始使用什么化學物質，最后得到什么材料，但反應過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態存在。

Schelhas解釋道：“我們總是希望處材料于最低能量階段或基態，而處于亞穩態的材料能量較高，最終會轉變為更穩定的基態。例如，一顆鉆石是一種亞穩態碳，將在數百萬年后恢復到其基態石墨。“

在合成過程中，材料可以結晶成一系列亞穩相 - 一些只能保持幾分鐘，另一些能保持數小時。其中一些階段的材料可能具有對應用有用的特性。還有一些甚至可能會阻止目標材料的形成。科學家們想要分離出有用的階段，避免那些會產生不良反應的階段。

論文的共同作者，伯克利實驗室的Wenhao Sun和Gerbrand Ceder以及麻省理工學院的Daniil Kitchaev最近開發了一個理論模型來預測材料在合成過程中會形成哪些亞穩相。

Sun說：“關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，表面能量很重要，材料從周圍環境中吸收的雜質可以穩定某些類型的晶體結構。我們開發了一種理論來量化這些因素如何控制亞穩相的形成，然后與SLAC合作設計一個實驗來進行測試。“

該實驗在SLAC的斯坦福同步輻射光源（SSRL）中進行，重點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晶體結構。其中的一些亞穩結構可用于電池應用或催化。

“雖然錳氧化物已被廣泛研究，但我們仍然不太了解如何制造出特定的亞穩相，”Toney說。 “弄清楚為什么某些配方有利于某些亞穩態結構將不僅有助于我們預測合成的這種材料配方，也將有助于其他材料的配方預測。”

理論與實驗

Sun和Schelhas設計了一個實驗，仔細控制配方中的單一成分，制備氧化錳并追蹤其對亞穩晶體形成的影響。

由博士后研究員Bor-Rong Chen領導的SLAC科學家在SSRL上使用強大的X射線束來觀察化學反應。

“這很簡單，”Schelhas說。 “我們將錳鹽和其他反應物質裝入一個小玻璃毛細管中，密封并加熱。然后我們在反應發生時通過毛細管拍攝X射線并觀察從晶體反射出的信號。這些信號使我們能夠確定每個亞穩相的原子結構。“

Chen說，起初，通過X射線衍射確定的亞穩相似乎與理論預測不符。

“我們與伯克利實驗室的理論家合作，對該模型進行了重組，”她說，“并得出了一些解釋，說明為什么某些亞穩相可能會在反應過程中被跳過，或者為什么它們的持續時間可能比我們預期的要長。”

為了繼續發展他們對合成的理解，研究人員計劃在更復雜的材料上進行實驗。

Sun說：“這項工作僅標志著材料合成預測理論更長時間內的初步步驟，我們的目標是建立一個強大的工具包來設計配方，以準確制出我們想要的材料。”

Schelhas說，該團隊還發現，他們可以在形成亞穩材料的階段停止反應，這樣就可以在未來的研究中測試這些材料的性能。

“在理解材料如何進行合成上，我們開始將科學推向一個新的領域，”她補充說， “預測模型有可能深刻改變材料設計的方式。這可以大大推動在光伏、電池、熱電和其他一系列可持續技術領域更先進材料的使用。”