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npj Computational Materials: 胡建军打造新材料发现的百宝工具箱:MaterialAtlas.org

npj Computational Materials: 胡建军打造新材料发现的百宝工具箱:MaterialAtlas.org

科学
海归学者发起的公益学术平台
分享信息,整合资源
交流学术,偶尔风月

几百年来,人们一直是通过反复试验或者靠运气和偶然发现来得到新材料。随着计算与信息技术的发展,利用计算模型通过大规模计算仿真发现新材料成为了可能。通过开发基于深度学习神经网络等机器学习算法来学习材料数据库中的已知材料的成分与结构的规律,科学家正在使用人工智能来预测哪些元素组合能合成新材料以及这些预测材料的结构与各种性质。目前,材料学领域使用最广泛的信息平台包括Materials Project(MP)、Aflow-lib和OQMD,它们都主要作为数据源使用。尽管这些主要的数据库都带有一些相关的分析工具,但在新材料发现研究中,还缺少便捷高效的互联网应用程序与工具,用于提高新材料发现的生命周期中材料属性表征、材料性能预测、材料合成、材料的理论发现和设计的研究效率。


机器学习在材料研究方面进展迅速,然而很多研究作者只发表了论文,却没有分享他们的软件。其中一些人分享了他们的源代码,却没有创造一个用户友好的应用程序或互联网应用服务以供所有人特别是实验材料学研究人员轻松地使用。根据生物信息学领域的经验,材料信息学研究人员必须开发和分享易于使用的材料学互联网应用程序,来使这些数据驱动的工具在材料学研究人员的日常材料发现和分析过程中得到最大程度的使用。来自美国南卡罗莱纳大学计算机科学与工程系机器学习与进化实验室的胡建军教授团队, 首先调查了材料信息学网络服务应用的现状(<100个互联网应用),发现它们大大落后于生物信息学界(拥有9000多个互联网服务应用),因此该团队基于他们在新材料发现全生命周期里的多项研究已经相关文献提出并开发了MaterialsAtlas.org材料信息学互联网应用平台。该平台实现并整合了各种用户友好型工具,用于帮助材料设计空间的探索、候选材料的生成以及候选材料的验证。该平台含有多达28种材料服务工具,其所含功能包括材料成分和结构有效性检查(例如电中性、电负平衡、动态稳定性、鲍林规则),材料特性预测(例如预测带隙、弹性模量、硬度、热导率、超导),晶体材料结构预测,材料生成筛选(例如二维材料、锂电材料、立方结构材料),材料机器学习模型构建等其他多种实用工具。用户还能自由选择下载生成的结果。除了丰富的应用以外,该平台还为每一个应用工具配备了使用说明文档,其不仅包括了如何使用该工具,更是给出了详细的解释和说明。这些工具将大大降低没有深厚计算或机器学习知识背景的学生和材料研究人员有效利用这些材料信息学工具的障碍,给发现新材料带来无数可能。

文近期发表于npj Computational Materials  (2022) 8: 65英文标题与摘要如下,点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。


MaterialsAtlas.org: a materials informatics web app platform for materials discovery and survey of state-of-the-art 

Jianjun Hu ,Stanislav Stefanov, Yuqi Song , Sadman Sadeed Omee, Steph-Yves Louis, Edirisuriya M. D. Siriwardane, Yong Zhao and Lai Wei 

The availability and easy access of large-scale experimental and computational materials data have enabled the emergence of accelerated development of algorithms and models for materials property prediction, structure prediction, and generative design of materials. However, the lack of user-friendly materials informatics web servers has severely constrained the wide adoption of such tools in the daily practice of materials screening, tinkering, and design space exploration by materials scientists. Herein we first survey current materials informatics web apps and then propose and develop MaterialsAtlas.org, a web-based materials informatics toolbox for materials discovery, which includes a variety of routinely needed tools for exploratory materials discovery, including material’s composition and structure validity check (e.g. charge neutrality, electronegativity balance, dynamic stability, Pauling rules), materials property prediction (e.g. band gap, elastic moduli, hardness, and thermal conductivity), search for hypothetical materials, and utility tools. These user-friendly tools can be freely accessed at http://www.materialsatlas.org. We argue that such materials informatics apps should be widely developed by the community to speed up materials discovery processes.


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