從原子尺度理解化合物“結構-物性”間的構效關系是物質科學領域的基本問題，厘清物質微觀局域結構的統(tǒng)計特征，有助于科學家更好地闡釋物理、材料、化學等學科中的科學問題。當今，廣泛使用的物質科學基本數(shù)據(jù)多源自20世紀中后期，數(shù)值較為陳舊。例如，物質科學領域廣泛使用近半個世紀的離子半徑數(shù)值源自20世紀60年代的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，隨著材料科學數(shù)據(jù)的積累，海量數(shù)據(jù)將帶給物質科學領域新數(shù)值與新認知。
近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室研究員孟勝、特聘研究員劉淼，與美國勞倫斯伯克利國家實驗室教授Kristin A. Persson合作，系統(tǒng)地分析了3萬余個過渡金屬氧化物的晶體信息，提煉出過渡族金屬離子的配位結構、價態(tài)、離子鍵長、原子磁矩、Jahn-Teller效應導致的局部形變、結構穩(wěn)定性等物理量的詳細信息，取代廣泛使用近半個世紀、僅用“離子半徑”一個參數(shù)表征材料的傳統(tǒng)做法。
本工作表明每種過渡族金屬離子均具有各自的“形狀”“尺寸”和“原子磁矩”，從而勾畫出固體中每種過渡金屬離子的“個性”畫像；通過人工智能方法，進一步獲取過渡金屬離子的結構相似性“模板”，可用于指導新材料設計和穩(wěn)定性快速評估。
依據(jù)上述離子的結構相似性知識，該團隊借助離子替換擴展了人類已知的化合物空間，生成了6萬余個人類未知的新結構，通過對這些結構進行高通量計算，找到5千個穩(wěn)定的新化合物（Ehull < 20meV/atom），這些新材料易被試驗合成，有效地擴展了材料科學的化合物“版圖”。該研究為探索更廣闊的無機材料相空間提出了新思路，所有化合物信息均可在Atomly材料數(shù)據(jù)庫（https://atomly.net/）查詢。
相關研究成果以Persona of Transition Metal Ions in Solids: A Statistical Learning on Local Structures of Transition Metal Oxides為題，發(fā)表在Advanced Science上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃和中科院等的支持。
圖1.過渡金屬離子在局域環(huán)境中的配位偏好（離子的“形狀”）
圖2.3d TM-O鍵長與價態(tài)、熱力學穩(wěn)定性的關系
圖3.3d過渡金屬離子的原子磁矩與價態(tài)和Jahn-Teller效應間的統(tǒng)計結果
圖4.過渡金屬離子的局域結構相似性。深色代表高相似性
來源：中國科學院物理研究所
