梳理：近年Nature/Science顶刊上材料&化学论文对第一性原理的应用

近年来，材料、化学类科研进展中，对第一性原理的应用已经屡见不鲜。下面小编梳理了部分顶刊近年来的第一性原理的应用，以供参考。

1：Nature：康奈尔大学-通过原子尺度调控实现材料的室温铁电、多铁性

日前来自康奈尔大学的科学家Darrell G. schlom（通讯作者）报道了一种构建室温条件下铁电和磁性耦合的单相多铁材料的新方法。作者采用LuFe₂O₄作为表面矩阵，在合成过程中引入特殊的FeO单层材料，这样实现了(LuFeO₃)m/(LuFe₂O₄)1超晶胞的构建。由于相邻的LuFeO₃的表面严重的褶皱效应可以使得具有铁磁性的LuFe₂O₄产生同步的铁电性质，同时可以降低其电子自旋的无序性和不稳定性，这样大幅度得提高了磁性相变温度(从240k(LuFe₂O₄)提高到了281k((LuFeO₃)m/(LuFe₂O₄)1))。此外，铁电序参量和铁磁序参量相互耦合，可以实现之间的在200k温度条件下电场对于磁性的调控。该研究也很好得阐释了该合成方案的设计可以很好得制备出具有较高温度条件下的磁电耦合的多铁材料，并且很好得利用了该类材料的几何不稳定性、晶格的变形以及外延生长技术，成功设计出理想的磁电耦合材料。

第一性原理计算出的LuFeO₄的自旋结果

a,b,单斜结构的LuFe₂O₄系统的结构图，Fe²⁺／Fe³⁺为反铁电状态（a：空间群：C2/m）以及铁电状态（b：空间群：Cm）。每个铁离子的饱和磁化强度在右图中计算出来（关于时间的函数）。对于铁电状态的LuFe₂O₄的温度－每个铁离子的饱和磁化强度计算出来作为Q的函数，结果显示磁性相变温度随着结构的畸变程度而不断增加。

文献链接：Atomically engineered ferroic layers yield a room- temperature magnetoelectric multiferroic

2：Nature：氧化石墨烯膜通过阳离子控制层间距实现离子筛分

中国科学院上海应用物理研究所方海平、Jingye Li、上海大学吴明红团队、南京工业大学金万勤团队（共同通讯）等人使用K⁺，Na⁺，Ca²⁺，Li⁺或Mg²⁺离子显示了利用阳离子控制层间距精确订装氧化石墨烯膜，表现出优异的离子筛分和海水淡化性能。此外，由一种类型阳离子控制的膜间距可以有效地选择性地排除具有较大水合体积的其它阳离子。论文应用第一性原理计算和紫外吸收光谱表明，最稳定的阳离子吸附位置是氧化物基团和芳环共存的地方。而通过密度泛函理论计算表明，与Na⁺相比，其他阳离子应该具有比石墨烯片更强的阳离子-π相互作用。

两个氧化石墨烯片之间阳离子的理论计算

文献链接：Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing

3：Nature:铁电材料性能的预测与优化——第一性原理计算本征铁电翻转

铁电材料是一种存在自发极化的材料，且自发极化有两个或多个可能的取向，在电场作用下，其取向可以改变。它具有介电、压电、热释电、铁电以及电光效应、声光效应、光折变效应和非线性光学效应等重要特性。铁电体概括起来可以分成两大类，一类以KH₂PO₄为代表，具有氢键，从顺电相过渡到铁电相是无序到有序的相变，属有序无序型。另一类为位移型铁电体，以BaTiO₃为代表，从顺电相到铁电相转变是由其中两个子晶格发生相对位移。

卡内基研究所的Shi Liu与宾夕法尼亚大学的Ilya Grinberg 和Andrew M. Rappe利用分子动力学模拟铁电材料PbTiO₃的90º畴壁来提供一个微观图景，使得能构建一个可以量化在各种铁电体中各类畴壁的动力学的简单、普适、形核与生长为基础的分析模型。然后预测了在有限温度下电滞回线与矫顽场的温度和频率关系。此模型能够定量测定矫顽场，与陶瓷和薄膜中的实验结果符合很好。

从基于量子力学的第一性原理计算开始，提供铁电材料的结构与能量模型的关键信息。利用第一性原理计算的结果，建立原子间相互作用势模型，这个模型可以研究大的系统，达到845000个原子，用来探索在有限温度下电场驱动畴壁的运动。利用大规模分子动力学模拟在一个大的温度范围内定量估算出无缺陷PbTiO₃的一个90º畴壁的速度。利用密度泛函理论可以使分析模型有效的快速估算出电滞回线与矫顽场。

论文的工作表明，在有限温度下从第一性原理计算出的零温微观量与宏观现象的描述是相关的，提供了一个具体的过程来从微观量直接快速计算出宏观量。

利用第一性原理模拟的几种材料的电滞回线与矫顽场

文献链接：Intrinsic ferroelectric switching from first principles

4：Nature：在单原子水平上解密化学有序/无序态同材料性质的关系

完美的晶体在自然界是不存在的。现实中的材料往往存在缺陷，和化学有序/无序态，例如晶界，位错，界面，表面重构以及点缺陷。这些缺陷严重影响着材料的性质和功能。尽管材料的定量表征方法被快速建立，但精确处理有序/无序排列的三维（3D）原子和晶体缺陷对材料性质的影响仍是一大挑战。与此同时，量子力学计算方法，如密度泛函理论（DFT）已经从开始的理想块材模型处理系统发展为了具有掺杂、位错、晶界和界面的真实材料模型处理系统，但是这些计算方法重度依赖平均原子模型晶体学。为了提高第一原理计算的预测能力，有必要在一般晶体学测量的真实系统之外使用原子坐标。

加利福尼亚大学纳米系统研究所的Jianwei Miao教授（通讯作者）团队近日确定了一个由6569个铁原子和16627个铂原子组成的铁-铂纳米颗粒各个原子的三维坐标，并且在原子水平上精确测量了它的化学有序/无序态和晶体缺陷对材料性质的影响。前所未有地是，该团队还辨别出了材料丰富的三维结构细节，包括其中的原子成分、生长晶界、反相晶界、反位点缺陷和交换缺陷。该团队研究表明，通过直接输入DFT计算中材料的性质（如原子自旋、轨道磁矩以及局部磁晶各向异性）可以实现在22皮秒精度下测定材料中的原子坐标和化学成分。

采用原子坐标和化学成分直接输入的DFT法获得的[100]和[001]方向之间的局域磁晶各向异性能（MAE）信息

文献链接：Deciphering chemical order/disorder and material properties at the single-atom level

5：Nature:复合无机物相场的两种晶体结构类型的加速发现

受限于材料既有大量可能的元素组成，也有庞大的潜在结构，所以探索研发新材料一直没有一个很好的办法。例如，无机结构拓展到固相结构的研究发现大部分都是依赖于晶体化学以及耗费大量时间的系统改变元素比值的材料合成。。计算方法已经发展到通过精确成分预测结构和已知晶体结构预测成分来指导材料合成，，并已经取得了巨大进步。然而要得到一个全新、实验上可实现的物质，其包括晶胞和原子位置在内的晶体结构迥异于已知晶体结构，仍然是一个巨大的挑战。很多有价值的性能得益于对已知结构的替换。但仅仅使用这种方法将带来错过最优性能解以及试图利用不完整的知识来设计的风险。

本文报道了实验发现的两种结构，其通过对同时包含两种结构的复杂无机相区域进行计算识别得到的。

通过计算探测结构的结果是获得了该系统化学、结构上的多样性，其能量可以与已知材料组合相当。接着对相图中最低能量区域计算得到之前未有报道过的结构的两种材料。

文献链接：Accelerated discovery of two crystal structure types in a complex inorganic phase field

6：Science Advances：水溶液的电子结构：缩小实验与理论之间的差距

预测水溶液的电性能是量子力学一项长期深远的挑战。但在大量新兴能源和环境技术中，例如电池和光电化学电池设计，它仍然是理解和预测水溶液和电解质所承担的关键角色的至关重要的一步。本篇提出了一个有效且精确的方法来预测水溶液的电性能，即基于第一性原理计算方法结合最先进的光谱学评测实验确认。得到宽区域的溶解离子光电子谱，第一性原理分子动力学模拟和利用介质混合泛函的电子结构计算对包括激活能在内的溶质和溶剂的电性能以定量描述。

PO₄³⁻溶液的PE频谱图像

文献链接：Electronic structure of aqueous solutions: Bridging the gap between theory and experiments

顶刊中第一性原理的应用远不止这些，本篇仅为抛砖引用。如果您对第一性原理在材料科学上的应用有见解，欢迎您联系材料人编辑（微信号：cailiaokefu）投稿。

封面图片与本文无关。

材料人编辑部Vera、钢铁侠联合整理。

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