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南大团队用“炼丹术”找到材料合成新范式，AI赋能材料研究巨大潜力

文章来源：中国科学报更新时间：2024-05-07 09:58:23

南京大学物理学院副教授梁世军、教授缪峰团队首次提出了“片上材料合成实验室”的概念。利用热驱动原理，控制器件上电极释放的活性金属原子在沟道材料中的扩散，在片上原位合成了可变化学计量比的多种材料。这些合成的材料展现出超导电性、可与p型半导体形成超低的接触电阻，以及可比拟传统贵金属催化剂的优异电催化性能。4月25日，相关研究成果发表在《自然—材料》。

类比“炼丹”的材料合成新范式

炼丹术是中国古代道教的一种方术。以追求长生不老为目标。为了追求这一目标，炼丹师们研究各种材料，逐步意识到材料的微观结构对材料性质至关重要，并试图通过改变材料的原子组成和排列方式，探索材料的新功能。随着现代科学技术的发展，研究人员不断尝试探索全新的材料合成范式。

低维材料在物理、化学、生物以及电子等领域的发展中扮演着越来越重要的角色。不同的应用依赖于不同性质的材料，对低维材料的合成提出了可定制化的要求。然而，传统的材料合成通常依赖于庞大的实验空间和漫长的时间等待，无法兼容原位的电学测量和器件应用，这使得材料合成与应用之间存在较高的技术壁垒。因此，探索全新的低维材料合成范式，成为了材料科学领域一个倍受关注的重要议题。

研究团队提出了片上原位相变工程的概念。类比于传统材料生长中的前驱体供给过程，电极中的活性金属原子在热驱动作用下扩散进入二维材料，由此可在器件上原位合成一系列不同化学计量比的新材料。通过对相变区域的原子结构进行了系统的表征与分析，结合理论计算，提出了可指导片上低维材料原位、可定制化合成的新原理相图，并展示了片上相变工程在电学输运、电子器件性能改善、高效电催化方面的应用潜力。研究团队揭示了片上原位相变工程的内在机制，并深入探索了其在二维材料体系中的普适性。

该研究中所提出的“片上材料合成实验室”作为一种低维材料合成的全新范式，消除了低维材料合成与应用之间的技术壁垒，为未来信息、能源、环境等领域应用所需的智能材料的开发开辟了一条全新的路径。

缪峰：瞄准二维材料领域前沿

缪峰：1982年生，江苏海安人，南京大学物理学院教授、博士生导师、副院长，南京大学类脑智能科技研究中心主任。主要从事凝聚态物理、纳米电子学领域研究，具体方向包括二维材料量子调控研究、二维材料信息器件研究等。先后获得过江苏省双创计划、江苏省杰出青年基金、国家杰出青年科学基金等资助。2021年获中国物理学会“黄昆物理奖”。

本科毕业后，缪峰又按照自己的想法，出国攻读物理学博士学位，选择了当时还很少人关注的二维材料领域，围绕其基础物理性质开展研究。

二维材料是世界上最薄的材料，厚度仅有一个原子。“要在实验中获取这样薄的材料非常具有挑战性——需要用最锋利的‘刀’才能‘削’出来。在实验过程中，我和导师一起边干边学。”缪峰说。

2022年9月，国际顶级学术期刊《自然》在线发表了缪峰团队在量子模拟前沿的最新突破——把两个石墨烯双原子层以旋转180度+0.75度的角度叠加，施加一个垂直电场后，得到了一种全新的量子材料，并首次观测到量子“中间态”。这一创新成果，未来有望应用于人工智能硬件技术开发领域，改变人们的生活。

未来材料AI创制路在何方？

尽管近年来在加强材料AI创制领域我国已取得了不少业绩，但与世界一流高校科研机构、企业巨头相比，还有很大距离。他勉励与会科研人员努力抢占材料革命性合成探索时代机遇，在“材料创智”领域勇于开展原始创新、有用创新和极致创新，为实现“AI(Artificial Intelligence人工智能)+ HI(Human Intelligence、人类智能)”的人机有机结合不懈奋斗。

如何充分释放AI的巨大潜力？

当前，材料科学研究范式，正在加速由试错转变为预测，从手脑研究进化至人机互动。上海交大材料科学与工程学院讲席教授、未来材料创制中心副主任汪洪认为，数据是运用人工智能的基本前提，AI赋能人类知识创造需首要解决数据“够用”与“好用”的问题，因此，未来材料AI创制的研究范式需逐步完善研究技术的高通量化、材料表征的多参量化、数据格式的标准化与数据生产的工厂化。

材料信息学是一门集材料科学、计算机科学、人工智能、物理、化学等多学科交叉的学科，然而，这样的交叉人才是非常稀缺的。因此，开发一个连接材料科学与人工智能的‘桥梁’，紧密连接材料科学与人工智能等学科，不仅可以促使材料科学的研究者高效、有效地利用AI工具建立材料预测模型，而且还能启发更多人工智能学者进行先进算法的创新，实现技术应用落地。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_546904.html
来源：贤集网
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