美國研究人員開發(fā)出了世界上最大的單質(zhì)晶體表面與形狀數(shù)據(jù)庫Crystalium，可以幫助人們開發(fā)出更優(yōu)秀的固態(tài)電池和燃料電池。

　　Crystalium是加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師借助勞倫斯伯克利國家實驗室的材料項目（Materials Project）開發(fā)出來的，可以幫助研究人員設(shè)計在表面與界面工藝中扮演重要角色的新材料，比如燃料電池、催化轉(zhuǎn)化器、集成電路和固態(tài)電池。

　　“這項工作是研究材料表面與界面的一個重要起點，借此可以發(fā)現(xiàn)許多新的屬性。我們已經(jīng)開發(fā)出一種新的資源，它可以用來更好地理解表面科學(xué)，并為受表面推動的技術(shù)找到更好的材料。”加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程教授Shyue Ping Ong表示。

　　舉例來說，燃料電池性能部分受到金屬催化劑表面的氫氧等分子反應(yīng)的影響。另外，可充電鋰離子電池的電極與電解液之間的接觸界面會發(fā)生可能限制電池性能的各種化學(xué)反應(yīng)。

　　“研究人員可以利用這個數(shù)據(jù)庫確定哪些元素或材料更可能成為制氨或從水中提取氫氣等過程中的有效催化劑。”O(jiān)ng的材料虛擬實驗室的一位納米工程博士研究生Richard Tran指出。

　　上述數(shù)據(jù)庫可以提供元素周期表中72種元素的100種以上多晶體的表面能量和均衡晶體形狀。表面能量對于設(shè)計主要在其表面展現(xiàn)功能的材料來說非常有用，比如催化劑和納米顆粒。

　　“這是‘虛擬實驗室’可以創(chuàng)造最大價值的領(lǐng)域之一——允許我們以很難在實驗中做到的方式精確地控制模型和條件。”O(jiān)ng表示。另外，對每種晶體來說表面能量不只是單純數(shù)字，因為它還取決于晶體的方向。“晶體是原子的一種規(guī)則排列。當(dāng)在不同的位置并以不同的角度切割晶體時，可以暴露出原子以獨特方式排列的不同面。”他指出。

　　因此Ong和他的團隊開發(fā)出了復(fù)雜的自動化工作流程，用于根據(jù)一些基本原理計算表面能量，方法是使用材料項目的Python Materials Genomics庫和Fireworks的工作流程代碼、勞倫斯伯克利國家實驗室的圣地亞哥超級計算機中心和國家能量研究科學(xué)計算中心的超級計算機。

　　“用于計算表面能量的技術(shù)幾十年前就有了。當(dāng)前的主要成就是整理如何以魯棒、高效的方式生成表面模型并執(zhí)行這些復(fù)雜的計算。”Tran透露。

　　針對Crystalium，團隊與伯克利實驗室的材料項目研究人員一起，通過超級計算機計算出類似谷歌的材料屬性數(shù)據(jù)庫。“材料項目被設(shè)計成一個開放的可訪問的工具，科學(xué)家和工程師都可以用它來加速材料的創(chuàng)新。”伯克利實驗室項目創(chuàng)始人Kristin Persson表示，“在5年的時間內(nèi)，它吸引了2萬多用戶研究從電池到太陽能光伏到熱電子的所有對象。特別可喜的是能看到像Ong等科學(xué)家提供大量人們感興趣的高質(zhì)量運算數(shù)據(jù)，并免費開放給公眾訪問。”

　　今后該團隊將進一步擴大數(shù)據(jù)庫范圍，從單種元素擴展到多種元素化合物（如合金），這些化合物可以由兩種或更多種不同金屬元素組成，也可以是由氧和另外一種元素組成的二元氧化物。他們還將研究常見吸附質(zhì)（如氫）對表面能量的影響，這是理解水媒介表面穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

　　“隨著我們繼續(xù)完善這個數(shù)據(jù)庫，我們希望研究人員把它當(dāng)作一種有用的資源用于合理地設(shè)計出優(yōu)秀的目標表面或界面屬性。”O(jiān)ng指出。