在过去的十年中，科学家们使用超级计算机和先进的模拟软件预测出在新一代能源技术中将有上百种具有优异特性的新材料。

而现在，他们需要的是弄清楚如何将这些材料真正地制作出来。

为了预估出制作材料的最佳配方，他们首先需要更好地理解它的构成方式，包括它在整个过程中经历的所有阶段状态 - 可能其中一些本身就是有用的。

现在能源部SLAC国家加速器实验室的实验证实了一种新的计算方法对材料合成的预测能力。研究人员表示，这种方法是在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室开发的，它可以简化太阳能电池、电池和其他可持续技术的新材料的开发过程。

SLAC杰出的科学家Michael Toney说：“在过去10年中，计算科学家已经非常擅长预测新材料的性质，但不太擅长像我们这样说明这些材料的制作方法，伯克利实验室开发的理论框架可以帮助我们思考如何合成并测试这些有广阔前景的材料。”

科学家们将材料的构成成分装载在薄玻璃管上，并使用X射线（左上角）观察其形成时所经历的相（如气泡所示）。

在SLAC的一项实验中，科学家们装载了将材料制成薄玻璃管的成分，并使用X射线（左上角）观察其形成过程中所经历的相（如气泡所示）。该实验验证了伯克利实验室的科学家在超级计算机的帮助下做出的理论预测（右图）。 （图片来源：Greg Stewart / SLAC国家加速器实验室）

该团队在Nature Communications（“了解导致氧化锰多晶型物形成的结晶途径”）上发表了他们的发现。

亚稳材料

SLAC应用能源计划的助理科学家，该研究的共同作者，Laura Schelhas说：“大多数理论方法都非常适合预测反应的终点 - 你开始使用什么化学物质，最后得到什么材料，但反应过程中形成的其他有用材料往往被忽视。”

这些中间材料往往以亚稳态存在。

Schelhas解释道：“我们总是希望处材料于最低能量阶段或基态，而处于亚稳态的材料能量较高，最终会转变为更稳定的基态。例如，一颗钻石是一种亚稳态碳，将在数百万年后恢复到其基态石墨。“

在合成过程中，材料可以结晶成一系列亚稳相 - 一些只能保持几分钟，另一些能保持数小时。其中一些阶段的材料可能具有对应用有用的特性。还有一些甚至可能会阻止目标材料的形成。科学家们想要分离出有用的阶段，避免那些会产生不良反应的阶段。

论文的共同作者，伯克利实验室的Wenhao Sun和Gerbrand Ceder以及麻省理工学院的Daniil Kitchaev最近开发了一个理论模型来预测材料在合成过程中会形成哪些亚稳相。

Sun说：“关键是考虑可能影响材料形成的温度和压力以外的影响，例如，在非常小的范围内，表面能量很重要，材料从周围环境中吸收的杂质可以稳定某些类型的晶体结构。我们开发了一种理论来量化这些因素如何控制亚稳相的形成，然后与SLAC合作设计一个实验来进行测试。“

该实验在SLAC的斯坦福同步辐射光源（SSRL）中进行，重点是观察氧化锰的形成，这种化合物的形成可能涉及多种亚稳晶体结构。其中的一些亚稳结构可用于电池应用或催化。

“虽然锰氧化物已被广泛研究，但我们仍然不太了解如何制造出特定的亚稳相，”Toney说。 “弄清楚为什么某些配方有利于某些亚稳态结构将不仅有助于我们预测合成的这种材料配方，也将有助于其他材料的配方预测。”

理论与实验

Sun和Schelhas设计了一个实验，仔细控制配方中的单一成分，制备氧化锰并追踪其对亚稳晶体形成的影响。

由博士后研究员Bor-Rong Chen领导的SLAC科学家在SSRL上使用强大的X射线束来观察化学反应。

“这很简单，”Schelhas说。 “我们将锰盐和其他反应物质装入一个小玻璃毛细管中，密封并加热。然后我们在反应发生时通过毛细管拍摄X射线并观察从晶体反射出的信号。这些信号使我们能够确定每个亚稳相的原子结构。“

Chen说，起初，通过X射线衍射确定的亚稳相似乎与理论预测不符。

“我们与伯克利实验室的理论家合作，对该模型进行了重组，”她说，“并得出了一些解释，说明为什么某些亚稳相可能会在反应过程中被跳过，或者为什么它们的持续时间可能比我们预期的要长。”

为了继续发展他们对合成的理解，研究人员计划在更复杂的材料上进行实验。

Sun说：“这项工作仅标志着材料合成预测理论更长时间内的初步步骤，我们的目标是建立一个强大的工具包来设计配方，以准确制出我们想要的材料。”

Schelhas说，该团队还发现，他们可以在形成亚稳材料的阶段停止反应，这样就可以在未来的研究中测试这些材料的性能。

“在理解材料如何进行合成上，我们开始将科学推向一个新的领域，”她补充说， “预测模型有可能深刻改变材料设计的方式。这可以大大推动在光伏、电池、热电和其他一系列可持续技术领域更先进材料的使用。”