圖1. 過渡金屬離子在局域環(huán)境中的配位偏好（離子的“形狀”）
從原子尺度理解化合物“結(jié)構(gòu)-物性”間的構(gòu)效關(guān)系是物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的基本問題，深入細(xì)致地厘清物質(zhì)微觀局域結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)特征，有助于人們更好地理解物理、材料、化學(xué)等眾多學(xué)科中的科學(xué)問題。當(dāng)今廣泛被人們使用的物質(zhì)科學(xué)基本數(shù)據(jù)大多都源自上世紀(jì)中后期，數(shù)值較為陳舊。例如，被物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域廣泛使用近半個世紀(jì)的離子半徑數(shù)值，源自上世紀(jì)60年代的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，隨著近年材料科學(xué)數(shù)據(jù)的不斷積累，海量數(shù)據(jù)也將帶給物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域新數(shù)值、新認(rèn)知。
中科院物理所孟勝、劉淼團(tuán)隊(duì)與美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的Kristin A. Persson教授合作，系統(tǒng)地分析了3萬余個過渡金屬氧化物的晶體信息，提煉出過渡族金屬離子的配位結(jié)構(gòu)、價態(tài)、離子鍵長、原子磁矩、Jahn-Teller效應(yīng)導(dǎo)致的局部形變、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等物理量的詳細(xì)信息。該工作表明每種過渡族金屬離子都具有各自的“形狀”、“尺寸”和“原子磁矩”，從而勾畫出固體中每種過渡金屬離子的“個性”畫像；通過人工智能方法，進(jìn)一步獲取過渡金屬離子的結(jié)構(gòu)相似性“模版”，可用于指導(dǎo)新材料設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性快速評估。
依據(jù)上述離子的結(jié)構(gòu)相似性知識，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)而借助離子替換擴(kuò)展了人類已知的化合物空間，生成了6萬余個人類未知的新結(jié)構(gòu)，通過對這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行高通量計(jì)算，找到了5千個穩(wěn)定的新化合物（Ehull < 20meV/atom），這些新材料很容易被實(shí)驗(yàn)合成，有效地?cái)U(kuò)展了材料科學(xué)的化合物“版圖”。該工作為探索更廣闊的無機(jī)材料相空間提出了新的思路，所有化合物信息均可在Atomly材料數(shù)據(jù)庫（https://atomly.NET/）中查詢。
圖2. 3d TM-O鍵長與價態(tài)、熱力學(xué)穩(wěn)定性的關(guān)系
圖3. 3d過渡金屬離子的原子磁矩與價態(tài)和Jahn-Teller效應(yīng)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果
圖4. 過渡金屬離子的局域結(jié)構(gòu)相似性。深色代表高相似性
WILEY
論文信息：
Persona of Transition Metal Ions in Solids: A Statistical Learning on Local Structures of Transition Metal Oxides
Huaxian Jia, Matthew Horton, Yanan Wang, Shengjie Zhang, Kristin A. Persson*, Sheng Meng*, Miao Liu*
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期刊簡介
《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）Wiley旗下創(chuàng)刊于2014年的優(yōu)質(zhì)開源期刊，發(fā)表材料科學(xué)、物理化學(xué)、生物醫(yī)藥、工程等各領(lǐng)域的創(chuàng)新成果與前沿進(jìn)展。期刊為致力于最大程度地向公眾傳播科研成果，所有文章均可免費(fèi)獲取。最新影響因子為17.521，中科院2020年SCI期刊分區(qū)材料科學(xué)大類Q1區(qū)、工程技術(shù)大類Q1區(qū)。
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