这个实验室《自然》《科学》论文成堆,原来幕后有帮手-世界热点评

2023-04-27 11:26:39    来源:中国科学报    

科学研究正在经历一场风暴。风暴源于狂飙突进的人工智能技术。“拥抱”还是“逃离”,成为摆在每位科研工作者面前的选择题。

在中国科学技术大学(以下简称中国科大),一群喝着网红咖啡、野心十足的年轻人选择了“拥抱”。他们集中在最传统、最古老的学科——化学领域,从一个个不起眼的念头出发,打破研究的惯例,频频登上《自然》《科学》等国际一流期刊。他们要在科研范式的变革中,成为风暴的驾驭者。

最初的念头:“有没有可能让计算机帮帮忙?”


(资料图片仅供参考)

如果当初没有选择与计算机“联手”,中国科大教授姚宏斌团队最新发在《自然》杂志上的论文,或许还只是份实验报告。

4月初,姚宏斌团队的论文在《自然》杂志上引起轰动,他们关于固态电解质新家族的研究,被认为有望实现电化学储能领域“圣杯”级的全固态锂金属电池。

这项研究关乎固态电解质。姚宏斌等人试图寻找一种金属卤化物,以提升固态锂电池的效能。

在寻找卤化物电解质的过程中,他们曾考虑将石榴石氧化物——锂镧锆氧中的“氧”换成“氯”。怎么才能合成出这种化合物?不知道。

如果按照传统的化学研究方法,科研人员得窝在实验室里一点点试错。什么时候能试对?也不知道。

姚宏斌想:“有没有可能让计算机帮帮忙?”

由于团队里没有能玩转计算机的人,姚宏斌只能从搜罗人才开始。2021年,在研究生复试中,姚宏斌“相中”了一位从湘潭大学材料科学与工程学院毕业的本科生——罗锦达,因为罗锦达在简历上展示出自己在计算机编程上的基础和兴趣。

录取名单确定的当晚,姚宏斌拨通了罗锦达的电话:“我们有个材料体系很重要,需要用计算化学的方法,你愿不愿意加入我们课题组?我自己虽然没有计算基础,但是我会给你联系老师,让他教你。”

姚宏斌之所以如此主动,是因为这项已经做了4年的研究已经开始面临着经费困境,不能再拖。

“抢”到罗锦达后,姚宏斌很快又找了计算化学的“大牛”——中国科大讲席教授李震宇,并把罗锦达“塞”给了他。

在姚宏斌和李震宇的共同指导下,罗锦达写出了可以满足研究需要的程序。之后,姚宏斌团队和李震宇团队联合,根据计算机模拟结果设计出一个常温条件下可以稳定存在的镧系金属氯化物。再往后,他们又跟随计算机的指引,在实验室里成功合成出具有优质性能的镧系金属氯化物固态电解质。

终于,样品做出来了。可是,这依然只能是一份“还不错的实验报告”。样品的内部结构如何?锂离子在其中是怎么传导的?这种固态电解质为什么具有优质的性能?还是不知道。

计算机的用处再次体现出来。基于分子动力学原理,团队成员把自己的实验数据和历史上相关研究的海量实验数据放进超算中心去“跑”,经过长时间计算模拟和分析,他们最终探明镧系金属卤化物框架结构的锂离子传导原理。

“在这项研究中,模拟计算的分量大概占了三分之一。假设没有这三分之一,研究将无法令人满意,因为我们很可能没办法合成出最优的电解质材料,也没办法把实验现象背后的原理解释清楚。”姚宏斌说。

论文的匿名评审人认为:“作者提出了一个全新的固态电解质结构材料,计算模拟非常完善。”

初尝模拟计算的“甜头”后,姚宏斌茅塞顿开:“我们突然发现,还可以干点其他的事情。”

他们现在有了一个原先连想都不敢想的计划:“把元素周期表里的很多元素按不同比例组合,或是去现有的海量数据中寻找符合我们期望的材料,把材料做得更多样化。”

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