新材料|大数据如何塑造材料科学家的新世界？
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大数据塑造你我的世界
中午 ， 工作结束的你点起了外卖 。 打开软件 ， 发现列表推荐的前几家都是你爱吃的 。 于是 ， 你享受了一顿愉快的午餐 。
下班时 ， 北斗导航系统为你规划了一条与平时不同的路线 。 回到家后 ， 你发现今天的驾驶意外顺利 ， 平时总会遇到的堵车没有发生 。
晚上 ， 你打开昨天外语课的作业 。 你的作文又没有及格 。 不过 ， 批改软件早已把文章的错误尽数标出 ， 并提出了更好的修改 ， 加深了你对语法的理解 。
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信息社会 ， 大数据无处不在
拥有掌控这一切的能力 ， 正是数据 。 确切来说 ， 是“大数据” 。 当今信息社会中 ， 每个人的生活都会留下一串数据 ， 而万物的互联互通也都是基于各类数据 。 医生依靠大数据做出更精确的诊断 ， 法官依靠大数据在简单案件上节省精力 ， 而软件公司则通过大数据为你定制出最个性化的服务……我们每个人 ， 都在贡献数据 ， 同时被大数据所塑造 。
从这点来讲 ， 材料科学家们也不例外 。 在材料科学领域 ， 数据作为记录材料信息的一种方式 ， 已经变得越来越普遍 。 过去 ， 材料科学是实验室中的不断进步的 。 为了制造出稳定、明亮的电灯 ， 爱迪生做过几千次试验 ， 才发现了合适的灯丝材料钨 。 而现在 ， 人们发现材料中原子及排列可以决定材料的内在性能 ， 更多理论模拟的方法可供利用 ， 很多材料性质可直接预测 。 材料科学家们便像“钢铁侠”一般 ， 随心所欲地创造新型材料 。
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像钢铁侠一样研究材料科学
实验技术结合计算机模拟来研究材料组份、结构和性能 ， 已成为一种快捷有效的常规方法 。 特别是很多情况下 ， 普通实验手段几乎失效 ， 计算材料学可以充分发挥其优势 。 不仅如此 ， 当材料大数据积累到一定程度时 ， 越来越多的内在规律将被揭示 ， 各式各样、种类繁多、功能强大的新材料将会浮出水面 。 就像“人类基因组计划”破解了生命的密码 ， 基于材料计算和数据库的“材料基因组计划” ， 将会极大地加速材料的研发 ， 降低材料发现的门槛和成本 ， 促进人类社会的进步[1] 。 新材料研发模式正在从“经验型”向“预测型”转变 。
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理论计算可以使材料研发过程速度加快 ， 成本降低
随着的信息技术的发展和材料模拟领域的进步 ， 人们可以通过高通量计算在短时间内获得大量数据 ， 并利用它来筛选和设计新材料 ， 从而大幅加速材料研发速度 ， 降低材料研发成本 。
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【新材料|大数据如何塑造材料科学家的新世界？】材料基因：从出现到百花齐放
材料的进步代表人类的进步 。 早在20世纪80—90年代 ， 国内外不断有科学家提出有关材料基因的基本理念 。 “材料基因组计划”由美国在2011年率先提出 ， 旨在利用在材料计算、模拟和数据挖掘方面的突破 ， 提高新材料发现的速度 ， 降低成本 ， 进一步发挥实验技术的效能 。 此概念一经提出便引起重大反响 。 以锂离子电池材料开发为主要方向的劳伦斯伯克利国家实验室的Kristin A. Persson教授和Gerbrand Ceder教授系统性地把材料基因的思想用于锂离子电池材料的开发 ， 发现了许多性能优异的新型电极材料 ， 是早期材料基因工作的代表 。 [2]不仅如此 ， 该国家实验室的科学家们划时代地将所有涉及的晶体结构的计算数据统一放置在了一个数据库平台中 。 数据平台的出现有效减少了重复计算的次数 ， 增加了计算机智能判定 ， 为后续的科研工作者提供了极大的便利 。 这个数据平台就是Materials Project [3] 。
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若干业界领先的世界级材料数据库
针对不同类型或功能的材料 ， 人们研究的热点往往有所不同 。 于是 ， 更多的材料数据库出现了 。 为了在大数据范围内研究各类合金的性质和功能 ， 西北大学的科学家们建立了OQMD数据库[4]；为了发现更多新材料 ， 杜克大学的Aflow数据库应运而生[5] 。 石墨烯的成功剥离使人们拓宽了对低维度材料的认识 ， 经过十几年的发展 ， 来自瑞士洛桑大学的课题组已经建立起二维材料数据库[6] ， 涵盖所有已知二维材料的性质 。 美国、欧洲、日本的众多课题组都已加入各类材料数据库的开发 ， 材料基因组在科研界掀起了热潮 。
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