Nature Materials评论：推动材料理论模拟的发展

材料牛注：材料建模领域有许多基本的障碍，如对于实验原始数据的获得，发展进程的速度缓慢。政府和一般民众对于材料建模的举措将帮助我们很快克服当前遇到的瓶颈。

在材料研究过程中，理论和计算的建模是必不可少的一环。由从头算和其他的建模方法提供对材料性能的探究对于基础和工业化为导向的材料研究至关重要，例如，越来越多的论文和国际专利是利用了密度泛函理论（是一种材料科学领域广泛使用的建模方法）计算，这也反映了建模的重要性。（图1）

图1 过去25年内每年利用密度泛函理论计算发表的论文和国际专利的数量

建模大大的减少了从对于先进材料基础研究到制造成品的这个时间跨度。为了提高国家的工业竞争力，因此政府已经开始推出多项举措来提升当前建模水平。在2011年，美国总统奥巴马宣布启动材料基因组计划，希望能够复兴美国的制造业。这项计划获得了联邦政府总共2.5亿美元的资助，旨在将材料科学的研究与科学和产业政策、财政和基础设施资源协调整合起来，从而加快发现和制造新材料的进程。

在这样的框架之内，材料科学家与实验专家、理论专家、计算机科学家之间相互配合，依靠这些不同领域的协调合作的计划也开始实施。一个叫“Materials Project”的计划是各个组织之间协调合作的典范，这个计划目的是通过提供在线的开放数据库来加快设计新材料和数据挖掘的分析工具的脚步。目前，这个数据库包含超过66000种化合物的性质和密度泛函模型。通过这个数据库，人们已经发现新的电池材料、透明氧化物导电电极和热电材料。

欧盟委员会也意识到建模对于缩短先进材料基础研究到制造材料成品的这个时间跨度至关重要。他们提出，将一个适应性广的重要技术与纳米技术、生物技术、先进的制造业结合起来，以此来推进欧盟工业现代化和先进可持续的经济的发展，这些技术成为欧盟展望2020和创新计划的一个支柱。欧洲在人力资源方面有很大的潜力，大约有11000名材料建模的研究者，世界上一半的从头算学术团体是在欧洲国家。

除了政府的计划，民间也提出了很多措施来解决材料建模的问题。例如，Psi-k组织，它是以欧洲为基础的世界性团体，由超过2000名科学家组成，他们的主要目的在于通过加强不同团体的合作，组织学术会议和开办培训班，大型计算设备的配合应用，加强工业和政策制定者的相互交流来促进第一性原理计算材料科学（包括基础理论、算法和编码）的发展。另外的一个积极的民间举措就是欧洲材料建模委员会的成立，这个委员会旨在通过强化利用建模，从而将欧洲不同的建模活动与提高欧洲工业竞争力结合起来。

另外的一个“自下而上”的方案已经在更多的地区得到了发展。例如，来自伦敦大学学院的Angelos Michaelides是Thomas Young中心的其中一个联合主任，他在一个访谈节目当中解释到，Thomas Young中心是作为一个致力于材料的理论与模拟研究且以伦敦团体为基础的联盟。2016年2月在伦敦举办了Thomas Young中心成立10周年的纪念日活动，活动主题为：材料建模前沿研讨会。来自巴黎综合理工大学的Nicola Marzari在会上讨论的范围很广，如对于拟合精确性的局限，从头算模型实施的复杂性和计算能力这些方面的阐述。

财政的支持，编码、算法、研究方法的完善、大型计算设备的使用权限这些条件，在政府和研究团体的促进下有可能达到，这将帮助我们解决材料建模的这些挑战。然而，正如Michaelides解释的那样，实验团体的参与对于这个领域的进步至关重要。

当前，无法获取原始实验数据是许多建模团体发展中的一个很大阻碍。而克服这个问题的办法也已经开始实施，例如，在2014年Springer Nature 推出了一个名为Scientific Data 的杂志，这个杂志是一个开放获取、同行评审的杂志，它出版的内容是对于原始数据可获得的说明，这使得人们更容易发现、解释和重复利用好原始数据。此外，对于包括Nature杂志在内的许多出版机构来说，实验数据和电脑编码的完全可用性需求是不断增多的。为了促进材料建模的发展，人们在鼓励实验者分享他们的有用实验数据方面还有很多工作需要做。

该评论发表在Nature Materials (IF: 36.503) 最新一期（April 2016, Volume 15 No 4）上。

本文由材料人科普团队学术组朱德杰供稿，材料牛编辑整理。

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