南京大學(xué)物理學(xué)院孫建教授和王慧田教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊發(fā)展了機器學(xué)習(xí)加速晶體結(jié)構(gòu)搜索的方法，并用其預(yù)測了一種超硬鎢氮化合物--目前為止發(fā)現(xiàn)的最硬過渡金屬氮化物。相關(guān)論文以封面文章發(fā)表于Science Bulletin 2018年第13期。
機器學(xué)習(xí)算法在很多領(lǐng)域取得了令人矚目的進步，但在晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測方面的應(yīng)用還有待發(fā)展。晶體結(jié)構(gòu)搜索通常要處理大量的備選結(jié)構(gòu)，若對每一個備選結(jié)構(gòu)都進行第一性原理計算的話會耗費大量的計算資源。
南京大學(xué)物理學(xué)院的孫建課題組和王慧田課題組發(fā)展了一套機器學(xué)習(xí)加速晶體結(jié)構(gòu)搜索的程序，用機器學(xué)習(xí)的方法擬合出一個模型，用這個模型先對備選晶體結(jié)構(gòu)進行初篩，這樣可以有效提高晶體結(jié)構(gòu)搜索的效率。
另一方面，過渡金屬輕元素化合物，特別是鎢氮化物因其具有很高的不可壓縮性和體彈模量，作為硬質(zhì)材料得到了廣泛的研究。但目前人們還沒有發(fā)現(xiàn)超硬（維氏硬度超過40GPa）的鎢氮化合物。這可能是由于鎢氮化合物中過渡金屬原子的 d 電子能帶會穿過費米面，使其具有金屬性，從而大大降低了材料的硬度。設(shè)計具有非金屬性的鎢氮化合物或許可能得到擁有超硬力學(xué)特性的新材料。
在前人研究基礎(chǔ)上，孫建課題組和王慧田課題組總結(jié)出了尋找超硬的過渡金屬輕元素化合物的三條線索：穩(wěn)定或亞穩(wěn)的晶體結(jié)構(gòu)、非金屬性的電子結(jié)構(gòu)以及高輕元素占比。這些線索啟發(fā)他們在富氮類鎢氮體系中去設(shè)計和尋找具備環(huán)、鏈、網(wǎng)格和框架等特殊氮原子基元構(gòu)型的晶體。
利用上述設(shè)計思路和他們新發(fā)展的機器學(xué)習(xí)加速晶體結(jié)構(gòu)搜索方法，他們成功設(shè)計出了一種非金屬性的富氮類鎢氮化合物h-WN6。它是由扶手椅狀的氮六元環(huán)和鎢原子形成的三明治結(jié)構(gòu)。其電子局域分布和成鍵特性分析表明h-WN6 是離子型晶體并具有方向性良好的強共價鍵。它是個小帶隙的間接能隙半導(dǎo)體，并且隨著壓力升高，其帶隙表現(xiàn)出反常的展開現(xiàn)象。
W-N相的晶體結(jié)構(gòu)和理論計算的電子結(jié)構(gòu)
理論計算表明h-WN6可以在高壓下合成同時在常壓下是亞穩(wěn)的。令人驚奇的是，理論預(yù)測h-WN6 結(jié)構(gòu)具有約 57GPa 的維氏硬度和 1,900K 的熔點，是目前為止最硬的過渡金屬氮化物。同時，它還具有很高的質(zhì)量能量密度（3.1 kJ/g）和體積能量密度（28.0 kJ/cm3），是一種潛在的高能量密度材料。
該工作發(fā)展了機器學(xué)習(xí)加速晶體結(jié)構(gòu)搜索的方法，總結(jié)了過渡金屬輕元素雜化超硬材料的設(shè)計思想，并在此基礎(chǔ)上預(yù)言了一種具有很好熱穩(wěn)定性的超硬又高能量密度的鎢氮化合物。這可能激發(fā)人們?nèi)ダ碚撎剿骱蛯嶒灪铣蛇@類有潛在應(yīng)用價值的材料，并且對于發(fā)展更高效的晶體結(jié)構(gòu)搜索方法，驗證超硬材料的設(shè)計思想，擴充超硬材料家族以及研究硬度起源都有重要的科學(xué)意義。
