新材料學(xué)院基于材料基因大數(shù)據(jù)研發(fā)的“未名材料解析系統(tǒng)”投入應(yīng)用服務(wù)
“一代材料、一代產(chǎn)業(yè)”，材料研制周期長(zhǎng)、檢測(cè)分析困難等問(wèn)題一直限制著新材料的研發(fā)與應(yīng)用。2016年國(guó)家啟動(dòng)了材料基因工程重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃目的是用新的研究范式（高通量計(jì)算、高通量制備、高通量檢測(cè)及構(gòu)建材料數(shù)據(jù)庫(kù)）加速新材料研發(fā)速度。北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授于2016年聯(lián)合多所高校、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)承擔(dān)了“基于材料基因工程研發(fā)固態(tài)鋰電池及關(guān)鍵材料”該國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目。在5年的研究中，潘鋒團(tuán)隊(duì)發(fā)展了基于圖論的結(jié)構(gòu)化學(xué)和材料基因研究新范式，將與中心原子成鍵的最近鄰原子定義為結(jié)構(gòu)基元，再把原子或結(jié)構(gòu)基元抽象成圖論中的點(diǎn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)智能運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了無(wú)誤地判斷結(jié)構(gòu)同構(gòu)性及定量描述結(jié)構(gòu)間的異構(gòu)度與演化關(guān)系的技術(shù)突破。團(tuán)隊(duì)基于圖論的晶體結(jié)構(gòu)和材料基因的表達(dá)方法，將空間原子/分子結(jié)構(gòu)幾何拓?fù)浠?，極大程度地提高了材料智能識(shí)別的效率和精度，構(gòu)建了擁有60余萬(wàn)種結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（SCIENCE CHINA Chemistry (2019) 62 , 982）， 在此基礎(chǔ)上提出基于材料基因到數(shù)據(jù)構(gòu)建整合材料制備，材料檢測(cè)與分析于一體的新型“未名材料解析系統(tǒng)”，運(yùn)用結(jié)構(gòu)基元及其連和化學(xué)鍵相互作用等微觀要素，結(jié)合計(jì)算機(jī)高通量智能比對(duì)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)于材料的智能檢測(cè)分析，第一代系統(tǒng)開始投入應(yīng)用和為用戶服務(wù)。
圖1 ?材料基因數(shù)據(jù)庫(kù)示意圖
“未名材料解析系統(tǒng)”是基于完善的晶體結(jié)構(gòu)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，結(jié)合晶體學(xué)衍射計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于結(jié)構(gòu)各種衍射圖譜的高通量智能計(jì)算，可以完成對(duì)于晶體結(jié)構(gòu)的X射線衍射圖譜、中子衍射圖譜和TEM衍射圖樣的精確計(jì)算，并依托材料大數(shù)據(jù)系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)衍射計(jì)算公式進(jìn)行修正，獲得與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近的衍射圖樣。依托于背后強(qiáng)大的材料大數(shù)據(jù)的支持，該材料解析系統(tǒng)結(jié)合通訊領(lǐng)域信號(hào)處理等方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的智能處理，包括通過(guò)準(zhǔn)確提取圖譜中峰位峰強(qiáng)等關(guān)鍵信息，結(jié)合傳統(tǒng)晶體學(xué)中的材料解析方法，系統(tǒng)可以完成對(duì)粉末衍射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一條龍定性相分析，準(zhǔn)確解析發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)樣品中可能含有的物相。此外，為了加速對(duì)于大型數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索速度，我們構(gòu)建了離散型數(shù)據(jù)庫(kù)框架，實(shí)現(xiàn)了對(duì)百萬(wàn)級(jí)峰位峰強(qiáng)數(shù)據(jù)的高通量快速檢索。
圖2 未名材料解析系統(tǒng)相分析模塊檢索示意圖
團(tuán)隊(duì)在目前相分析的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展，如正在增加中子衍射相分析、TEM衍射圖樣分析及半定量相分析等模塊，整合機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能方法，智能地獲得和處理不同領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行深度的“學(xué)習(xí)和分析”，使得材料基因組科學(xué)工程的新范式能為新材料的研發(fā)檢測(cè)提供全新思路和工具。
為方便廣大科研工作者快速方便的完成實(shí)驗(yàn)物相解析，北大“未名材料解析系統(tǒng)”現(xiàn)開放線上預(yù)約服務(wù)。用戶可以直接掃描下方微信二維碼進(jìn)行線上預(yù)約，也可以通過(guò)www.pkusam.com網(wǎng)站進(jìn)入預(yù)約平臺(tái)進(jìn)行線上預(yù)約，網(wǎng)站同時(shí)提供對(duì)材料基因數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索服務(wù)，用戶可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的快速檢索和相關(guān)電子結(jié)構(gòu)信息的獲取。
?? 該工作得到了國(guó)家材料基因工程重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)項(xiàng)目的大力支持。
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