顶刊动态|Science/Nature子刊/Chemical Reviews等计算材料学术进展汇总（160524期）

1、Chemical Reviews: 用于材料发现和材料优化的改进算法（综述）

材料科学正在经历一场革命，产生了许多有价值的新型材料。然而，潜在的可获得材料的数量是巨大的，如果仅仅通过单独的物理实验获取，效率低下，进展缓慢。而人工改进算法，比如遗传算法，可以探索大而复杂的搜索空间，更高效快速地识别和选择新材料，极大地促进了人类对新材料的认识和利用。

近日，澳大利亚科学家David A. Winkler等人综述了大部分已经报道的改进算法，并总结了它们在识别有价值的新材料，优化已有材料性能方面的应用。该项工作全面地总结了改进算法在发现新型催化剂，荧光材料等众多材料的应用发展状况，分析了改进算法对制造业，医药和材料工业等领域改革的潜力。

图1 改进算法的流程图

文献链接：Discovery and Optimization of Materials Using Evolutionary Approaches （Chem. Rev., 2016, DOI: 10.1021/acs.chemrev.5b00691 ）

2、Nano Letters : 氢化作用显著增强五角石墨烯的热传导性

热耗散一直被认为是纳米电子学领域非常重要的现象之一。当电子在加载电压下定向运动时，电流会产生耗散热。由于基于二维材料的纳米电子学中，单层器件的小热容量特性，因此，寻求高热传导材料对纳米电子学的发展是非常迫切的。

近日，美国圣母大学Tengfei Luo等人利用第一性原理晶格动力学和声子玻尔兹曼输运方程的迭代解法计算了五角石墨烯（PG）及其衍生物——氢化五角石墨烯（HPG）的热传导性，结果表明：相比五角石墨烯，氢化五角石墨烯的热传导性提高了76%，高于绝大多数的二维材料。并且分析了氢化作用对PG热传导性提高的机理。这种方法在计算各种晶体的热传导性方面具有很高的准确性。

图2 五角石墨烯（PG）和氢化五角石墨烯（HPG）的结构示意图

文献链接：Hydrogenation of Penta-Graphene Leads to Unexpected Large Improvement in Thermal Conductivity （Nano Lett.,  2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01536）

3、Nano Letters: 蝶形和星形过渡金属硫化物（TMDCs）纳米岛形成的局部化学

对于CVD方法生长石墨烯的机理，从原子模拟到标准晶体生长理论，已经形成了合理全面的理解。而对于过渡金属硫化物（TMDCs），由于其合成路径的多样性，其生长机理还不是很清晰。但是，我们可以从一些岛屿形状TMDCs的生长入手，推断其生长机理。

近日，美国莱斯大学Boris I. Yakobson等人通过研究岛屿形状TMDCs同时生长的碰撞行为，提出了TMDCs复杂形状的形成机理。并用相场模拟理论，论证从任意开始条件都可以形成高度对称的结构，从而验证了该机理的正确性。此外，他们还利用第一性原理计算对60度晶格取向角高度对称多晶的优势进行了解释。

图 3 星形多晶和蝶形多晶

文献链接：Topochemistry of Bowtie- and Star-Shaped Metal Dichalcogenide Nanoisland Formation （Nano Lett.,  2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00986 ）

4、Nature Communications: 集体运动对范德华异质结的超快电荷转移的作用

二维层状材料形成范德华异质结的成功，取决于以新器件概念和应用为基础的界面电荷转移的正确理解。在传统的异质结中，强界面耦合对电荷转移非常重要。然而，最近的实验发现表明：尽管范德华异质结的界面耦合较弱，但其存在着超快的电荷转移特性。对此反常行为，该怎么理解呢？

近日，美国伦斯勒理工学院Vincent Meunier等人运用含时密度泛函理论分子动力学，发现界面激子的集体运动产生伴随光激发的等离振荡。通过构建一个简单的范德华异质结模型，作者发现振荡的存在，加速了界面的电荷转移。这个现象和MoS2/WS2异质结实验结果相吻合，表明在100飞秒内，电荷已完成转移。

图 4 MoS2/WS2异质结的工作示意图

文献链接：The role of collective motion in the ultrafast charge transfer in van der Waals heterostructures （Nature Communications, 2016, DOI:10.1038/ncomms11504）

5、Science：量化ZnO对铜催化甲醇合成的促进效率

促进剂可以显著增强或抑制催化剂的表面活性和选择性。人们普遍认为，促进剂可以对催化活性位点进行电子调制或者改变催化剂的形态，以显著增加催化剂活性位点的数量，进而提高催化活性。但是由于反应中促进剂的含量极少，因此对其细节理解是很困难的。

近日，丹麦技术大学Jens Sehested等人研究了ZnO纳米颗粒作为促进剂，提升Cu纳米颗粒催化合成气体合成甲醇的催化特性的内部机理。通过组合表面面积滴定，电子显微镜，活性测量，密度泛函理论计算和模拟，作者证明了促进作用和Zn原子在Cu表面的迁移有关。Zn覆盖面可以被定量描述成Cu和ZnO纳米颗粒的热力学活性和甲醇合成条件的函数。此外，实验数据揭露了甲醇合成活性和Zn覆盖面之间有强相关性。这些结果表明，纳米颗粒的活性和颗粒尺寸关系密切，特别是在双纳米颗粒系统中。

图 5 纳米颗粒的分布电镜成像

文献链接：Quantifying the promotion of Cu catalysts by ZnO for methanol synthesis （Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aaf0718）

6、Physical Review Letters: 体心斜方晶系C16：一种新的拓扑节点线半金属

碳是一种极其多面的元素，其单质有很多种类的同素异形体，具有众多迷人的性质。目前，大家熟知的有石墨，石墨烯，碳纳米管，富勒烯等，在各个行业领域都具有举足轻重的应用价值。

近日，中科院物理所王建涛等人发现了一种新的碳同素异形体，他们在所有的sp2杂化网络中，通过从头计算识别出了一个新的拓扑半金属碳相，其单胞为16C体心斜方，被命名为bco-C16。总能量计算表明bco-C16比固态fcc-C60更稳定，声子和分子动力学模拟证明其动力学的稳定性。这个全是sp2杂化的碳同素异形体被认为是石墨的三维变形。电子能带结构计算表明bco-C60是一种拓扑节点线半金属。这项工作确立了一种新的碳同素异形体，并研究了其电子结构和性质。

图6 bco-C60的原子结构和声子色散图

文献链接：Body-Centered Orthorhombic C16: A Novel Topological Node-Line Semimetal （Phys. Rev. Lett. , 2016,  DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.195501）

本文由材料人学术组新锐作者灵寸供稿，材料牛编辑整理。

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