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南大團隊用“煉丹術”找到材料合成新范式，AI賦能材料研究巨大潛力

文章來源：中國科學報更新時間：2024-05-07 09:58:23

南京大學物理學院副教授梁世軍、教授繆峰團隊首次提出了“片上材料合成實驗室”的概念。利用熱驅動原理，控制器件上電極釋放的活性金屬原子在溝道材料中的擴散，在片上原位合成了可變化學計量比的多種材料。這些合成的材料展現出超導電性、可與p型半導體形成超低的接觸電阻，以及可比擬傳統貴金屬催化劑的優異電催化性能。4月25日，相關研究成果發表在《自然—材料》。

類比“煉丹”的材料合成新范式

煉丹術是中國古代道教的一種方術。以追求長生不老為目標。為了追求這一目標，煉丹師們研究各種材料，逐步意識到材料的微觀結構對材料性質至關重要，并試圖通過改變材料的原子組成和排列方式，探索材料的新功能。隨著現代科學技術的發展，研究人員不斷嘗試探索全新的材料合成范式。

低維材料在物理、化學、生物以及電子等領域的發展中扮演著越來越重要的角色。不同的應用依賴于不同性質的材料，對低維材料的合成提出了可定制化的要求。然而，傳統的材料合成通常依賴于龐大的實驗空間和漫長的時間等待，無法兼容原位的電學測量和器件應用，這使得材料合成與應用之間存在較高的技術壁壘。因此，探索全新的低維材料合成范式，成為了材料科學領域一個倍受關注的重要議題。

研究團隊提出了片上原位相變工程的概念。類比于傳統材料生長中的前驅體供給過程，電極中的活性金屬原子在熱驅動作用下擴散進入二維材料，由此可在器件上原位合成一系列不同化學計量比的新材料。通過對相變區域的原子結構進行了系統的表征與分析，結合理論計算，提出了可指導片上低維材料原位、可定制化合成的新原理相圖，并展示了片上相變工程在電學輸運、電子器件性能改善、高效電催化方面的應用潛力。研究團隊揭示了片上原位相變工程的內在機制，并深入探索了其在二維材料體系中的普適性。

該研究中所提出的“片上材料合成實驗室”作為一種低維材料合成的全新范式，消除了低維材料合成與應用之間的技術壁壘，為未來信息、能源、環境等領域應用所需的智能材料的開發開辟了一條全新的路徑。

繆峰：瞄準二維材料領域前沿

繆峰：1982年生，江蘇海安人，南京大學物理學院教授、博士生導師、副院長，南京大學類腦智能科技研究中心主任。主要從事凝聚態物理、納米電子學領域研究，具體方向包括二維材料量子調控研究、二維材料信息器件研究等。先后獲得過江蘇省雙創計劃、江蘇省杰出青年基金、國家杰出青年科學基金等資助。2021年獲中國物理學會“黃昆物理獎”。

本科畢業后，繆峰又按照自己的想法，出國攻讀物理學博士學位，選擇了當時還很少人關注的二維材料領域，圍繞其基礎物理性質開展研究。

二維材料是世界上最薄的材料，厚度僅有一個原子。“要在實驗中獲取這樣薄的材料非常具有挑戰性——需要用最鋒利的‘刀’才能‘削’出來。在實驗過程中，我和導師一起邊干邊學。”繆峰說。

2022年9月，國際頂級學術期刊《自然》在線發表了繆峰團隊在量子模擬前沿的最新突破——把兩個石墨烯雙原子層以旋轉180度+0.75度的角度疊加，施加一個垂直電場后，得到了一種全新的量子材料，并首次觀測到量子“中間態”。這一創新成果，未來有望應用于人工智能硬件技術開發領域，改變人們的生活。

未來材料AI創制路在何方？

盡管近年來在加強材料AI創制領域我國已取得了不少業績，但與世界一流高校科研機構、企業巨頭相比，還有很大距離。他勉勵與會科研人員努力搶占材料革命性合成探索時代機遇，在“材料創智”領域勇于開展原始創新、有用創新和極致創新，為實現“AI(Artificial Intelligence人工智能)+ HI(Human Intelligence、人類智能)”的人機有機結合不懈奮斗。

如何充分釋放AI的巨大潛力？

當前，材料科學研究范式，正在加速由試錯轉變為預測，從手腦研究進化至人機互動。上海交大材料科學與工程學院講席教授、未來材料創制中心副主任汪洪認為，數據是運用人工智能的基本前提，AI賦能人類知識創造需首要解決數據“夠用”與“好用”的問題，因此，未來材料AI創制的研究范式需逐步完善研究技術的高通量化、材料表征的多參量化、數據格式的標準化與數據生產的工廠化。

材料信息學是一門集材料科學、計算機科學、人工智能、物理、化學等多學科交叉的學科，然而，這樣的交叉人才是非常稀缺的。因此，開發一個連接材料科學與人工智能的‘橋梁’，緊密連接材料科學與人工智能等學科，不僅可以促使材料科學的研究者高效、有效地利用AI工具建立材料預測模型，而且還能啟發更多人工智能學者進行先進算法的創新，實現技術應用落地。

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來源：賢集網
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