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传统的材料研发主要依赖研究者的科学直觉和不断反复的“尝试法”实验,?从新材料的设计到新材料的应用一般需要花费10~20年.?为了加快新材料的研发过程,?降低研发成本,?利用计算机技术高通量地预测和筛选具有特定功能的新材料已成为全世界化学与材料科学研究的新热点.?近年来,?计算机技术在新材料研发的各个环节正发挥着越来越重要的作用.?例如,?计算机技术可以用来从理论上预测大量未知的新材料,?然后根据理论化学计算排除那些实际上不合理的假想结构,?并进一步利用高通量的信息处理技术筛选出具有特定功能的理想结构作为实验室研发的目标新材料.?然而,?计算机技术在新材料开发领域的应用仍然面临着许多挑战.?例如,?大量具有广泛应用的材料具有非常复杂的三维晶体结构,?这些复杂的晶体结构很难找到合适的编码方式以方便计算机计算与处理;?同时,?人们对许多材料的结构与功能的相关性尚缺乏深入的理解,?因此目前真正实现根据功能需求高通量地筛选目标结构仍具有极大的挑战性.吉林大学于吉红教授领导的研究团队在这一领域取得了值得关注的进展.?研究人员从生物学概念中获得启发,?提出了基于生物基因组思想高通量预测与筛选晶体材料的新方法.?这种新方法可以快速将复杂的三维晶体结构表达为一维的计算机编码,?而这些计算机编码相当于晶体材料的“基因”,?决定了晶体材料的结构与性能.?研究人员以在工业上具有广泛催化与分离应用的ABC-6类型分子筛为研究对象,?通过这种新的计算机编码技术枚举出近9万种未知的ABC-6类型分子筛结构,?进一步通过对应的高通量解码技术提取其中关键的结构信息.?在此基础上,筛选出1000余种最有可能被合成的理论结构,?并利用水热合成法成功实现了其中两种新型分子筛的合成.?通过量子化学计算,?研究人员可以从预测结构中筛选出具有优异吸附与催化性能的新型分子筛材料(图1).这种新颖的晶体结构编码方式不仅可以用来预测和筛选分子筛材料,?还可以用于其他任何由简单结构基元组成的复杂的晶体结构.?这项研究成果为计算机辅助新材料的研发提供了一种全新的研究思路,?使得根据功能需求高通量筛选特定的目标结构成为可能.该研究成果以“In silico prediction and screening of modular crystal structures?via a high-throughput genomic approach”为题于2015年9月23日发表在Nature Communications.??柔性电子技术将电子器件制作在柔性基体材料上, 赋予传统电子器件可延展、可穿戴等特征. 这一技术在各领域, 尤其是生物医疗领域有着广泛的应用前景, 例如能够与人体表面紧密贴合的柔性电子器件, 可以实时检测人体的生理参数, 从而可实现从当前疾病的治疗到将来疾病的预防和健康管理的医疗模式转变. 与人体组织集成的柔性电子对基体材料提出了苛刻要求: 既要十分柔软(低弹性模量), 能与复杂的目标表面充分贴合, 又要十分强韧(较高强度), 在目标表面发生变形或在反复粘贴时保护电子器件. 因此, 柔性基体优越的力学性能是实现电子器件可穿戴性的关键.美国伊利诺伊大学John Rogers教授、美国西北大学黄永刚教授和清华大学张一慧教授的研究团队成功地从生物组织中寻找到了将柔性和韧性完美结合的方案. 生物组织通常是由有机纤维(例如胶原蛋白纤维)与非矿物质软组织(如细胞外基质)组成的复合材料, 在外载作用下, 其中的有机纤维会依次发生弯曲、扭转、拉伸等复杂变形, 从而赋予此类材料小应变时低弹性模量和大应变时高弹性模量的特殊性能, 具体表现为“J型”应力应变曲线. 自然界中这种“应变保护”的效应能够最大程度地保护生物组织以避免受到极致变形的破坏.从生物组织中获得灵感, 研究人员巧妙地将纤维细丝设计成三角栅格状, 通过节点将重复的栅格联结成网状结构如图1(a), 并结合可透气的弹性高聚物制成兼具柔性和韧性的仿生复合材料如图1(b). 光刻技术制成的三角栅格网状结构是实现柔韧性的关键. 考察单个三角栅格发现, 其表现出的力学性能与生物材料的“J”型应力应变曲线十分相似如图2(a), 可分为三个阶段: 当变形较小时, 栅格中纤维主要发生弯曲变形, 宏观上表现为低弹性模量; 当变形继续增加时, 纤维向拉伸方向发生旋转, 宏观上表现为弹性模量逐渐增加; 当变形增加到一定值后, 纤维主要发生拉伸变形, 使弹性模量迅速增加, 直到纤维网破坏. 针对这一仿生复合材料, 该研究团队建立了栅格纤维的几何尺寸, 包括弧线圆心角、弧线半径、纤维的截面尺寸等与“J”型应力应变曲线形状的定量关系, 为获得仿生材料的优异力学性能提供了设计准则.另外, 研究人员利用自相似性, 将栅格设计成多层级自相似结构. 由于多级结构的