晶体材料石榴石的原子结构对应于充满崎岖山脉、丘陵和山谷的势能面上的陨石坑。通过计算找到它是非常困难的，但是通过在这个表面上固定一个网格，可以使用先进的算法和量子计算机来找到最低的顶点。随后的调整揭示了石榴石结构，它带来了最优性保证。来源:利物浦大学

利物浦大学研究人员开发的一种数学算法可能标志着在设计新材料的过程中迈出了一步，这些新材料需要应对净零排放和可持续未来的挑战。

利物浦大学的一项新研究可能标志着在设计新材料的过程中迈出了一步，这些新材料需要应对净零排放和可持续未来的挑战。

利物浦大学的研究人员在《自然》(Nature)杂志上发表文章称，一种数学算法可以保证仅根据构成材料的原子的知识就能预测任何材料的结构。

该算法由利物浦大学化学系和计算机科学系的一个跨学科研究小组开发，系统地评估了整个可能的结构集，而不是一次只考虑一个，以加速确定正确的解决方案。

这一突破使得识别可以制造的材料成为可能，在许多情况下，还可以预测它们的性质。这种新方法在量子计算机上得到了证明，量子计算机有可能比传统计算机更快地解决许多问题，因此可以进一步加快计算速度。

我们的生活方式依赖于物质——“一切都是由某物构成的”。我们需要新的材料来迎接零排放的挑战，从清洁能源的电池和太阳能吸收器，到提供低能耗计算和催化剂，为我们可持续的未来制造清洁的聚合物和化学品。

这种探索是缓慢而困难的，因为有太多的方法可以将原子组合成材料，特别是有太多的结构可以形成。此外，具有变革性质的材料很可能具有与目前已知的结构不同的结构，而预测一种未知的结构是一项巨大的科学挑战。

来自该大学化学系和材料创新工厂的马特·罗辛斯基教授说:“现在对晶体结构的预测有了确定性，就有机会从整个化学领域确定哪些材料可以合成，以及它们将采用的结构，这使我们第一次有能力定义未来技术的平台。”

“有了这个新工具，我们将能够定义如何使用那些广泛可用的化学元素，并开始创造材料来取代那些基于稀缺或有毒元素的材料，以及找到比我们今天所依赖的材料性能更好的材料，迎接可持续社会的未来挑战。”

来自该大学计算机科学系的Paul Spirakis教授说:“我们成功地为晶体结构预测提供了一种通用算法，可以应用于多种结构。”将局部最小化与整数规划相结合，使我们能够在离散空间中使用强优化方法探索连续空间中的未知原子位置。

我们的目标是在发现新的和有用的材料的美好冒险中探索和使用更多的算法思想。化学家和计算机科学家的共同努力是取得成功的关键。”

这篇题为《晶体结构预测的最优保证》的论文发表在7月5日的《自然》杂志上。

参考文献:《晶体结构预测的最优性保证》，作者:Vladimir V. Gusev, Duncan Adamson, Argyrios Deligkas, Dmytro Antypov, Christopher M. Collins, Piotr Krysta, Igor Potapov, George R. Darling, Matthew S. Dyer, Paul Spirakis和Matthew J. Rosseinsky, 2023年7月5日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06071 - y

研究团队包括来自利物浦大学计算机科学与化学系、材料创新工厂和Leverhulme功能材料设计研究中心的研究人员，该研究中心的建立是为了通过跨学科研究开发原子尺度功能材料设计的新方法。

该项目已获得利华休姆信托基金和皇家学会的资助。