怎樣才能讓我們的電子產(chǎn)品更智能、更迅速、更有適應(yīng)性？一種想法就是用拓?fù)洳牧蟻碇圃焖鼈儭?/span>
拓?fù)鋵W(xué)源于數(shù)學(xué)的一個分支，它專門研究一些可以被操縱或變形，卻不會喪失某些核心特性的形狀，比如“甜甜圈”就是一個常見的例子。
從甜甜圈到咖啡杯的拓?fù)滢D(zhuǎn)換。(圖/Keenan Crane and Henry Segerman,Wikimedia Commons,CC BY-SA)
想象一個用橡膠制成的“甜甜圈”，它就可以被扭曲和擠壓成一個全新的形狀，同時仍然保留一個關(guān)鍵特征，也就是中心的孔洞，比如它可以轉(zhuǎn)換成一個帶手柄的咖啡杯，手柄便保留下了中心孔洞的特征。在這種情況下，這個孔就是一種拓?fù)涮卣鳎鼘δ承┳冃尉哂泻軓?qiáng)的“抵抗力”。
近年來，科學(xué)家已經(jīng)將拓?fù)鋵W(xué)的概念應(yīng)用在發(fā)現(xiàn)具有類似的強(qiáng)大電子特性的材料上。2007年，科學(xué)家預(yù)測了第一個電子拓?fù)浣^緣體，其中電子的行為方式是拓?fù)浔Ｗo(hù)的，在面對某些破壞時仍可以持續(xù)存在。
自那時起，為了建造更好、更穩(wěn)健的電子設(shè)備，科學(xué)家一直在尋找更多拓?fù)洳牧?。但原先僅僅發(fā)現(xiàn)了少量類似材料，因此它們被認(rèn)為非常罕見。
但近日，一組研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，拓?fù)洳牧掀鋵?shí)無處不在，重要的是需要知道如何尋找它們。在《科學(xué)》雜志上的一篇論文中，團(tuán)隊(duì)報道他們利用多臺超級計算機(jī)，繪制了96000多種天然和合成晶體材料的電子結(jié)構(gòu)。
他們應(yīng)用復(fù)雜的過濾器來確定每種結(jié)構(gòu)中是否存在拓?fù)涮卣饕约澳姆N特征。總的來說，他們發(fā)現(xiàn)，所有已知的晶體結(jié)構(gòu)中，有9成至少包含一種拓?fù)涮匦?，而所有自然發(fā)生的材料中，半數(shù)以上都會表現(xiàn)出某種拓?fù)湫袨椤?/span>
超越直覺的搜索
過往，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)原始材料的方式通常是依賴化學(xué)直覺。這種方法在早期帶來了很多成功的例子，但是，隨著理論預(yù)測出了更多種類的拓?fù)湎鄷r，直覺似乎并沒有能幫助我們走得很遠(yuǎn)。
這項(xiàng)新研究的動機(jī)正是希望加快對拓?fù)洳牧系乃阉鳌Ｑ芯繄F(tuán)隊(duì)想找到一種高效且系統(tǒng)的方法，在所有已知的晶體結(jié)構(gòu)(無機(jī)固態(tài)材料)中找出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的跡象，也就是穩(wěn)健的電子行為。
研究人員首先著眼于無機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(ICSD)。這個數(shù)據(jù)庫包含了大量過往研究過的晶體材料的原子和化學(xué)結(jié)構(gòu)，囊括了在自然界中發(fā)現(xiàn)的材料，也有那些在實(shí)驗(yàn)室中被合成和操縱的材料。它是目前世界上最大的材料數(shù)據(jù)庫，包含了超過193000種晶體，它們的結(jié)構(gòu)都已被繪制并表征。
團(tuán)隊(duì)從整個數(shù)據(jù)庫中篩選出了96000多種最終可處理的結(jié)構(gòu)。對于其中每一種，他們根據(jù)化學(xué)成分之間的關(guān)系進(jìn)行了一系列計算，從而制作出材料的電子帶結(jié)構(gòu)的圖譜。
研究人員使用多臺超級計算機(jī)對每種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了高效而復(fù)雜的計算，接著，他們進(jìn)而篩選出各種已知的拓?fù)湎?，也就是每種晶體材料中持續(xù)存在的電學(xué)行為。
從他們的高通量分析中，團(tuán)隊(duì)很快就發(fā)現(xiàn)了數(shù)量驚人的自然拓?fù)洳牧?，以及可以被操控的材料，例如借助光或化學(xué)摻雜而表現(xiàn)出某種穩(wěn)健的電子行為。他們還發(fā)現(xiàn)了少數(shù)幾種材料，當(dāng)暴露在某些條件下時，這些材料含有超過一種拓?fù)鋺B(tài)。
拓?fù)洳牧蠑?shù)據(jù)庫
團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將新發(fā)現(xiàn)的材料編入了一個可自由訪問的新的拓?fù)洳牧蠑?shù)據(jù)庫，它就像一個拓?fù)鋵W(xué)的“元素周期表”。
對于正在研究這種效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)者來說，新的數(shù)據(jù)庫揭示了一個可供探索的新材料群。有了它，科學(xué)家就可以快速搜索感興趣的拓?fù)洳牧希私饪赡軗碛械娜魏瓮負(fù)涮匦裕⒗盟鼈冎圃斐龀凸β实木w管、新的磁性記憶存儲以及其他具有強(qiáng)大電子特性的設(shè)備。
