全球最大晶体数据库的目标：提升动力电池的设计

美国研究人员开发出了世界上最大的单质晶体表面与形状数据库Crystalium，可以帮助人们开发出更优秀的固态电池和燃料电池。

Crystalium是加州大学圣地亚哥分校的工程师借助劳伦斯伯克利国家实验室的材料项目（MaterialsProject）开发出来的，可以帮助研究人员设计在表面与界面工艺中扮演重要角色的新材料，比如燃料电池、催化转化器、集成电路和固态电池。

“这项工作是研究材料表面与界面的一个重要起点，借此可以发现许多新的属性。我们已经开发出一种新的资源，它可以用来更好地理解表面科学，并为受表面推动的技术找到更好的材料。”加州大学圣地亚哥分校的纳米工程教授ShyuePingOng表示。

举例来说，燃料电池性能部分受到金属催化剂表面的氢氧等分子反应的影响。另外，可充电锂离子电池的电极与电解液之间的接触界面会发生可能限制电池性能的各种化学反应。

“研究人员可以利用这个数据库确定哪些元素或材料更可能成为制氨或从水中提取氢气等过程中的有效催化剂。”Ong的材料虚拟实验室的一位纳米工程博士研究生RichardTran指出。

上述数据库可以提供元素周期表中72种元素的100种以上多晶体的表面能量和均衡晶体形状。表面能量对于设计主要在其表面展现功能的材料来说非常有用，比如催化剂和纳米颗粒。

“这是‘虚拟实验室’可以创造最大价值的领域之一——允许我们以很难在实验中做到的方式精确地控制模型和条件。”Ong表示。另外，对每种晶体来说表面能量不只是单纯数字，因为它还取决于晶体的方向。“晶体是原子的一种规则排列。当在不同的位置并以不同的角度切割晶体时，可以暴露出原子以独特方式排列的不同面。”他指出。

因此Ong和他的团队开发出了复杂的自动化工作流程，用于根据一些基本原理计算表面能量，方法是使用材料项目的PythonMaterialsGenomics库和Fireworks的工作流程代码、劳伦斯伯克利国家实验室的圣地亚哥超级计算机中心和国家能量研究科学计算中心的超级计算机。

“用于计算表面能量的技术几十年前就有了。当前的主要成就是整理如何以鲁棒、高效的方式生成表面模型并执行这些复杂的计算。”Tran透露。

针对Crystalium，团队与伯克利实验室的材料项目研究人员一起，通过超级计算机计算出类似谷歌的材料属性数据库。“材料项目被设计成一个开放的可访问的工具，科学家和工程师都可以用它来加速材料的创新。”伯克利实验室项目创始人KrisTInPersson表示，“在5年的时间内，它吸引了2万多用户研究从电池到太阳能光伏到热电子的所有对象。特别可喜的是能看到像Ong等科学家提供大量人们感兴趣的高质量运算数据，并免费开放给公众访问。”

今后该团队将进一步扩大数据库范围，从单种元素扩展到多种元素化合物（如合金），这些化合物可以由两种或更多种不同金属元素组成，也可以是由氧和另外一种元素组成的二元氧化物。他们还将研究常见吸附质（如氢）对表面能量的影响，这是理解水媒介表面稳定性的关键。

“随着我们继续完善这个数据库，我们希望研究人员把它当作一种有用的资源用于合理地设计出优秀的目标表面或界面属性。”Ong指出。