原子模拟如何在几小时到几天内帮助找到新的材料设计解决方案

通过实验进行材料设计的试错方法通常缓慢、昂贵且难以优化。因此，使用高通量计算材料筛选和机器学习的想法越来越被认为是一个非常有吸引力的替代方案。在计算材料科学(CMS)中，基于原子的模拟被认为是一种非常有用的工具，是进行实验的补充。在过去，通过CMS方法识别具有特定期望属性的材料被证明是无效的，主要是由于运行这些模拟的高计算成本，可能需要几个月到几年的时间。由于计算速度和能力的提高，我们现在可以在几天到几周的时间内完成这种计算材料设计。当与公开可用的大型材料量子数据库相结合时，现在可以在几秒钟或几小时内推导出用于目标器件应用的新设计材料的结构、加工、性能和性能之间的关系。

例如，大量的研究工作投入到寻找节能和具有成本竞争力的海水淡化技术。大量的盐水在脱盐装置中被处理以产生淡水，其中最常用的盐包括氯化钠(NaCl)。在过去的十年里，已经实验合成了一些可以收集阳离子(如Na+， Ca2+和/或Mg2+)的新电极材料。相比之下，可以收集阴离子(如Cl-)的主电极大部分仍未被探索。利用第一性原理密度泛函理论(DFT)计算，我们已经确定了一些具有可逆存储和释放目标阴离子的极材料比如从盐水中提取Cl-水．

我们还测试了它们在水的稳定窗口内分解的化学稳定性，以避免水电解。海水淡化技术的另一种方法是使用阴离子交换膜(AEM)，该膜在允许阴离子运输的同时，拒绝通过AEM的阳离子运输。利用原子DFT模拟，我们能够估计出阳离子(例如，Na+， K+， Mg2+， Ca2+)和阴离子(Cl-)的吸附电压氧化石墨烯(GO)材料．我们发现，虽然阳离子对氧化石墨烯薄片的氧官能团有很强的结合作用，但阴离子如Cl-不受氧化石墨烯的束缚，从而使阴离子在氧化石墨烯基AEM中快速扩散。最后，我们用原子DFT计算评估了膨胀石墨(多个石墨烯层之间的间距大于0.34 nm)可以容纳20到30倍能力比纯石墨，使其更适合作为脱盐电极材料。

图1。图(左)cms设计的阴离子(Cl-)插层主体材料的晶体结构，可用于脱盐清洗设备．
图2。cms设计的氧化石墨烯(GO)负离子交换膜(AEM)的插图(右)，使选择性离子(脱)吸附化学反应．

事实上，通过原子DFT体积计算对材料特性(如电压、吸附、扩散率和化学稳定性)进行计算编译，有助于理解许多不同产品应用的潜在机制。虽然通过替换元素周期表中的化学元素来探索所有新的可能性，以找到具有更好的结构稳定性、相干混合或更少分解倾向的材料是非常令人兴奋的，但许多关键问题不能仅通过DFT计算在批量中解决。

举个例子，我们通过实验用含有含氟盐的液体掺杂所述氧化表面部分，使所述氟化金属表面更疏水。通过使用复杂的DFT板模型构建氧化物和水界面，我们能够确定氟在表面金属氧化物(如Cr2O3和NiO)上的存在可以增加疏水性。另一个例子可以在设计一种防腐导电氧化物材料．一般来说，电绝缘材料在化学上是惰性的。然而，我们能够通过计算预测一种同时导电和防腐的新型三元氧化物成分，随后进行了实验验证。

最后，我想谈谈在量子数据库中利用原子方法和“大数据”来解决更困难的技术挑战。这种新方法涉及分析数十万个现有结构和原型结构，但不需要大量的CPU时间。这种组合方法可以在几个小时到几天内帮助形成新的材料解决方案。在博世raybet雷竞技ios下载研究院的计算材料科学与工程组，我们已经解决了许多不同的材料挑战，包括但不限于:腐蚀、涂层、氧化、化学反应、电化学反应、合金、热处理和分解。

总的来说，我们的原子模拟可以在不久的将来帮助提供机制理解，减少实验数量和节省资源。借助新一代AI、GPU、TPU和量子计算等新兴技术，我们的CMS方法将进一步为当前和未来的博世“为生命而发明”的应用程序创造机会。raybet雷竞技ios下载