AI+材料学,“算”出未来的新材料 | Lab Show

来源:西湖大学英文版 发布时间:2022-04-18 作者:

芦苇杆编织的小水车,钥匙扣制作的九连环,一块磁铁吸引形成的铁粉“小刺猬”……童年时,父亲亲手制作的一样样启蒙玩具,曾给小时候的朱一舟带来无尽的欢乐。那时的她还不知道自己今后的人生会与“材料”紧密相连,但在那个好奇心蓬勃生长的年岁里,她对于世间万物的兴趣却已悄然萌芽。

朱一舟,西湖大学工学院计算材料学实验室负责人,本科和硕士毕业于北京大学物理学院,随后在美国马里兰大学帕克分校获得博士学位,又在美国西北大学从事博士后研究工作。

这是一位以计算为手段来“算计”材料的女PI,她热衷的领域属于材料科学和计算机科学的交叉学科。本期Lab Show,让我们跟着朱一舟去了解她的计算材料学实验室。

朱一舟(后排右二)完成博士答辩后与她所在的课题组成员合影


用计算去理解和设计材料

美国加州大学伯克利分校Gerbrand Ceder教授是最早开始使用计算模型和机器学习进行材料发现的科学家之一,他在接受Nature记者采访时曾说:“使用机器学习算法有望大幅提高新材料发现的速度和效率”。

从古至今,寻找满足性能需求的新材料一直是人类孜孜不倦的追求之一。然而,传统的新材料研发往往伴随着研究人员大量的“试错”和汗水。发明家爱迪生在寻找灯丝材料时,曾测试了超过六千种植物纤维,之后终于找到了碳化竹作为合适的灯丝材料。无数次的尝试与失败,终于造就了伟大的发明。但这样传统的材料研发模式周期长、成本高,显然无法满足当今社会高速发展中对新材料的研发需求。

所谓计算材料学,就是指通过多种模拟和计算手段,在“计算机实验”中,对材料的多种物理化学性质进行分析和理解,通过高通量计算、机器学习等手段,还可以对成千上万种候选材料进行预测和筛选,从而大大加快新材料的研发速度,使得针对目标性能的材料进行理性设计成为可能。

朱一舟说:“用计算的手段去研究材料,最重要的是如何从纷繁复杂的数据中,通过抽象和建模,抽丝剥茧,抓住主要矛盾,找到现象背后的规律。”她希望自己的研究既能够在基础层面揭示材料的性质机理,也能提出具有实际应用价值的材料设计方案,更希望计算材料科学能真正成为材料研究领域理论研究与实验研究的桥梁。


朱一舟为Journal of Materials Chemistry A画的封面


挑战有争议性的科研问题

朱一舟:做科研过程中最值得的时刻,既不是文章发表的时刻,也不是拿奖的时刻,而是终于想明白一个科学问题的时刻。如果我能够成为世界上第一个去理解某件事情的人,甚至把人们对这件事的认识往前推进一小步,那就是科研生涯中最为重要和有意义的事。


朱一舟在博士阶段对全固态电池的研究就是对她研究理念的一个很好的佐证。

目前普遍使用的商用锂离子电池中,因为含有可燃的液态电解质,因此存在易燃易爆的安全隐患。科学家们一直致力于寻找更安全稳定的替代方案,其中最有潜力的方案之一就是发展全固态电池,即使用固态的耐高温陶瓷电解质,来取代可燃的有机电解液。因为固态电解质本征不可燃,从而有望能从根本上解决锂离子电池易燃易爆的安全隐患。

发展全固态电池的关键在于找到合适的固态电解质。几年前,一些很有潜力的陶瓷固态电解质材料开始崭露头角。人们发现,它们具有媲美液体的高离子电导率、良好的电化学稳定性,因此预期其性能应与商用锂离子电池相当。然而,在全电池测试中,组装好的全固态电池性能却远不如预期。

朱一舟所在的课题组针对这个问题进行了研究。基于系统的第一性原理计算,他们发现,陶瓷固态电解质的本征电化学稳定性事实上非常有限。陶瓷固态电解质与电极材料会发生化学反应,并在界面处生成分解产物层,这些分解产物对电池的性能会产生极大的影响。

这一发现在当时与领域内的一些传统认识是有冲突的。最开始,他们也不确定领域同行会不会接受他们的结果。但在反复检查和讨论了自己的结果之后,他们相信自己的计算结果是非常可靠的。果然,当他们将稿件投给期刊后,很快被接收。

这项研究首次揭示了高界面电阻主要来源于电解质-电极界面处的化学和电化学反应,后来得到了业内多个实验组的后续验证和肯定,获得同行的广泛认可,成为朱一舟的代表性成果之一。

朱一舟为在展示自己的科研海报


回首这一段研究经历,朱一舟觉得最深的体会是,去关注领域内重要的,甚至是有争议性的科学问题很重要。虽然过程中可能会遇到困难,但一旦有所突破,往往能给领域内的同行带来启发,这是一种莫大的成就感,鼓励她在科研的道路上继续思考和探索下去。


互相成就的师生关系

朱一舟:很多人觉得在做研究时一定要选择一位“大牛”教授;但是,与优秀的助理教授一同做科研,也同样可以做出很多不一样的新东西。可以共同成长,互相成就。


结合人工智能的无机固体材料的理解和设计,是朱一舟来到西湖大学工学院之后作为独立实验室负责人的主要研究方向。在这里,她既可以与人工智能领域的PI们“切磋”学术,又可以与做实验的同行进行多维度合作,更期待着和这里同样认同西湖大学理念又充满蓬勃朝气的学生们教学相长。 

在美国马里兰大学读博时,朱一舟的导师莫一非教授也是一位年轻的助理教授。他能够关心到组内同学的科研、成长、职业发展等方方面面。朱一舟说,在和自己的博士导师一起做科研的几年里,无论是讨论问题,还是准备报告,修改文章,都能得到导师非常充分和悉心的指导。在和导师沟通的过程中,她也从来没有感觉到太多的代沟,大家能够非常畅快地沟通和交流想法。

很多人觉得在做研究时一定要选择一位“大牛”教授;但是,与优秀的助理教授一同做科研,也同样可以做出很多不一样的新东西。或者说,跟随着一位助理教授做科研,她感受到的是一种“互相成就”。

在培养学生的理念上,朱一舟非常认同施一公校长的理念,认为培养学生批判性的思维和分析解决问题的能力是最重要的。同时,她也期待学生们在求学的道路上能体会到科研的乐趣。“希望大家将来有朝一日回想起读博士的这段时光时,会觉得这是一段非常值得的人生旅程。”

朱一舟与莫一非教授


朱一舟:只有自己能定义你自己

朱一舟平时总是面带着笑容,温暖阳光,透出她的坚定与自信。

但从小到大,朱一舟也听到过不少对女生的刻板印象,比如:“女生上了高中就成绩不行了”,“女生不适合理工科”,“女生读那么多书有什么用”……

但是,世界上无数在各自领域出类拔萃的女性一直在向世人证明:这些对女性能力的成见其实毫无道理。在科研领域,女性一样可以做出非常优秀的研究,有着非同一般的贡献。

朱一舟的父母从小一直相信她、鼓励她,对她说:“只要你想做,一定可以做得很好。”

“有的女生可能在考虑自己要不要去读理工科、适不适合做理工科。但我们身边有很多优秀的女性讲席教授和很多优秀女科学家的榜样。如果有人说女生做不到,那她们怎么做到了?”朱一舟说,“只要有这些女性站在这里,我觉得对后面的女性就会是很大的激励。”“如果科研做得好,说不定还能意外收获人生伴侣。”朱一舟幽默地说。她和她丈夫就是在一次学术会议上相识,并最终成为了人生路上的伴侣,颇具学术人的浪漫。

科研的道路从来都不是一帆风顺的。遭受质疑,遇到挫折,怀疑自己,都是这条路上不可避免的坎坷。但像朱一舟这样,无数仍然在努力前行的科研人,都在身体力行地传递着一个信息:没有什么是不可能的,如果我们做到了,那么你们,也一定可以。

——我们永远都不需要活在他人的定义中,不必让世界去定义我们应该成为怎样的人。

我们每个人,都能够成为谱写自己人生篇章的作者。