晶体结构预测工具显著和发人深省的推进

1988年自然的年代编辑约翰·马多克斯放下挑战时计算化学家说,物理科学中持续的丑闻之一是,它仍然无法预测即使是最简单的晶体结构的固体从知识的组合。“在接下来的几十年里,已经采取了重大进展来破解这一问题。¹现在,马修Rosseinsky,保罗Spirakis英国利物浦大学和他的同事们声称能够可靠地找到最低或一系列晶体化合物的基态结构只给他们的化学计量公式。²

能够预测晶体结构将是一个巨大的工具,发现有用的新材料。虽然许多方法现在存在这样的预测,是信心的一大挑战,估计预测结构的能量已经确定了全球最佳。利物浦球队现在提供的算法设计的最优保证标识的结构。

该方法使用称为整数规划的计算技术,广泛应用于物流等领域、医疗和金融。这需要映射的数量被优化的“空间”——这里的能源作为原子组态的函数——通过粗粒度的为一系列离散坐标。这更像是策划连续地形景观的插值从高度测量在很多地方。对于每个离散原子组态,计算出的能量是总结基于简单的双原子或离子之间的相互作用对势假定长程静电相互作用和短程排斥力。

一个大问题

一般来说,即使是一个相对简单的单位细胞中含有几个原子的化合物将有一个巨大的数量的原子排列,如果他们紧密间隔的可能位置。计算驯良的,Rosseinsky和他的同事们使用另一个名为branch-and-cut优化的计算技巧,这使他们能够迅速消除潜在的搜索空间,因为一个最优的解决方案显然没有被发现。

Branch-and-cut是一个聪明的和系统的方式通过粗粒度结构的整个空间紧缩,”作者说弗拉基米尔•卡西。它将空间结构分为子类,子类等每一个将会有一个保证绑定在如何——一个低能量的结构价值得分,如果你喜欢。如果类很大,可能会缺乏约束,因此类可以进一步分裂——因此分支。“你使用价值评分指导和优先勘探和完全排除某些类的考虑,“卡西说。

一旦确定了最佳或最低结构在这个discretised空间,算法执行的“本地”优化原子位置可以调整一下,或者在连续空间来找到自己的平衡值。

整数规划的屏幕允许您详尽的粗粒度结构在合理的时间,“Rosseinsky说。因为它每次都提供准确的解决方案,我们可以使用它们来推断的连续空间的实际结构存在,和寻找基态结构。也可以使用的方法和量子优化像量子退火方法。

这样,Rosseinsky和他的同事们计算出几种无机化合物的晶体结构,包括尖晶石等相当复杂的矿物相(毫伽₂O₄)和石榴石(Ca₃艾尔₂如果₃O₁₂)。后者有62个独特的原子在晶格位置,和算法能找到这个基态结构在桌面电脑上一秒。尖晶石结构是很难找到,仅用了一个多小时。

Rosseinsky说,发展方法的关键是“投入时间跨物理和计算机科学工作,开发一个共同理解来解决这个问题。人们不经常训练在这两个学科,他们以不同的方式解决问题。

缺点可能限制使用

虽然这个新方法添加到可用的方法寻找全局最优的晶体结构,它具有局限性,计算化学家说Artem Oganov在莫斯科的斯科尔科沃科技研究所。像所有的方法,将面临一个指数的增加可能的配置数量,随着原子数量的增加。Oganov指出结构解决了到目前为止都是相对简单的立方晶体,non-cubic结构预测问题,以及那些大型开放空间如沸石和分子晶体。他补充说,随着branch-and-cut方法只是一种启发式方法,最优保证的不严格。

材料科学家克里斯·皮卡德剑桥大学的也担心目前结构用于验证方法的范围很小,而且它可能不适用于分子晶体。在这种情况下,“单位细胞很少立方的形状或高度对称的,而且我认为需要一个非常密集的网格来捕捉分子和它们之间的空间”。

材料科学家Gerbrand Ceder加州大学伯克利分校的说,虽然纸是一个有趣的新方法,目前尚不清楚是多么实用”。他说,使用简化的双势可能不是最精确的方法来计算能量,并同意不能保证固定的解决方案发现晶格原子保持全球最适条件一旦允许放松。

尽管如此,皮卡德称显著和发人深省的推进工作。虽然在目前的状态,他认为这是不可能取代我们日常使用的算法”,他补充说,“这将是非常有趣的,看看它的发展,和什么其他想法产生的。