Paradigmet börjar med huvudaspekterna av mikroskopiska strukturer och egenskaperna material. Med utgångspunkt från vilka de funktionella motiven som styr materialegenskaperna kan utvinnas och de kvantitativa sambanden mellan dem kan undersökas och resultaten kan vidareutvecklas som "funktionella motivteorin". Det senare bör vara användbart som en riktlinje för att skapa nya material och som ett verktyg för att förutsäga materials fysikalisk-kemiska egenskaper. Kredit:Science China Press
Den traditionella trial-and-error-metoden inom materialforskning kan inte möta den växande efterfrågan på olika högpresterande material, så det är ytterst brådskande att utveckla ett nytt effektivt paradigm för materialvetenskap. En studie ledd av Dr. Xiao-Ming Jiang och Prof. Guo-Cong Guo (Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences) föreslår ett nytt forskningsparadigm för materialstudier baserat på konceptet "funktionellt motiv".
Funktionellt motiv definierades som de kritiska mikrostrukturenheterna (t.ex. ingående komponenter och byggstenar) som spelar en avgörande roll för att generera vissa materialfunktioner. Dessa enheter kunde inte ersättas med andra strukturenheter utan att de relevanta funktionerna förloras eller avsevärt undertrycks. Det funktionella motivparadigmet börjar med huvudaspekterna av mikroskopiska strukturer och materialens egenskaper. Utifrån denna förståelse kan de funktionella motiven som styr materialegenskaperna extraheras och de kvantitativa sambanden dem emellan kan undersökas, och resultaten skulle kunna vidareutvecklas som "funktionella motivteorin". Det senare bör vara användbart som en riktlinje för att skapa nya material och som ett verktyg för att förutsäga materials fysikalisk-kemiska egenskaper.
Materialens egenskaper bestäms av deras funktionella motiv och hur de är ordnade i materialen, där det senare bestämmer de kvantitativa struktur-egenskapssambanden. Att avslöja funktionsmotiven och deras arrangemang är avgörande för att förstå materialens egenskaper, och utforskningen av funktionella motiv möjliggör en rationell design av nya material med önskade egenskaper.
När det gäller längdskalan av strukturella egenskaper kan materialstruktur klassificeras i makroskopiska, mesoskopiska och mikroskopiska strukturer. Och den mikroskopiska strukturen av material kan rimligtvis kategoriseras i sex typer:(1) kristallina strukturer som har en långvägsordning av atomer, (2) magnetiska strukturer med långvägsordning av spinnmoment i kristallina material, (3) aperiodiska strukturer med långväga organiserade atommoduleringar från ett kristallint material, (4) defektstrukturer med långväga slumpmässiga eller icke-slumpmässiga fördelningar av atomdefekter i kristallina material, (5) lokala strukturer som representerar lokalkoordinerade miljöer av atomer inom området för flera koordinationer skal, och (6) elektroniska strukturer som representerar elektrondensitetsfördelningar i det verkliga rummet (eller positionsrymden) och de som representerar elektronfördelningarna i momentumrummet (eller k-rymden). Denna klassificering är inte alltför rigorös, samtidigt som den gynnar undersökningarna av funktionsmotiv och struktur-egenskapsförhållanden. (Rosa bollar i röd fyrkant representerar atomerna i en cell med upprepad enhet; svart pil representerar snurrmoment. De blå linjerna markerar atomernas relativa positioner.). Kredit:Science China Press
Med tanke på betydelsen av mikroskopiska strukturer i det funktionella motivparadigmet är det nödvändigt att till fullo förstå materiella strukturer. Hierarkin av materiell struktur involverar information som korsar flera längd- och tidsskalor. Jiang X-M et al klassificerar materialstrukturerna i makroskopiska, mesoskopiska och mikroskopiska strukturer och klassificerar vidare mikroskopiska strukturer i sex typer. dvs de kristalliska, magnetiska, aperiodiska, defekta, lokala och elektroniska strukturerna. För varje typ av mikroskopisk struktur presenterar Jiang X-M et al rollen av funktionella motiv och deras arrangemang för att bestämma egenskaper med representativa funktionella material.
Jiang X-M et al tar infraröda (IR) NLO-material som ett exempel för att introducera den funktionsorienterade designstrategin för nya funktionella material, där rollen av funktionella motiv av material betonas i designen av material. Denna strategi skiljer sig från den traditionella strukturorienterade designstrategin.
Jiang X-M et al diskuterar också den viktiga rollen av experiment och beräkningar med hög genomströmning i materialstudier och utmaningarna för att extrahera funktionella motiv från en enorm mängd data om materialstrukturer och egenskaper. Maskininlärning förväntas vara användbar för att effektivt förutsäga materialegenskaper och screena material med önskade egenskaper. För utformningen av nya material är det absolut nödvändigt att utveckla tillräckligt tillförlitliga materialstrukturer och egenskapsdatabaser och nya effektiva metoder för att extrahera funktionella motiv och struktur-egenskapsrelationer för material från maskininlärningsmodeller.
Forskningen publicerades i National Science Review . + Utforska vidare
