梳理：近年Nature/Science上材料＆化學論文對第一性原理的應用
近年來，材料、化學類科研進展中，對第一性原理的應用已經屢見不鮮。下面小編梳理了部分頂刊近年來的第一性原理的應用，以供參考。
1：Nature：康奈爾大學-通過原子尺度調控實現材料的室溫鐵電、多鐵性
日前來自康奈爾大學的科學家Darrell G. schlom（通訊作者）報道了一種構建室溫條件下鐵電和磁性耦合的單相多鐵材料的新方法。作者採用LuFe2O4作為表面矩陣，在合成過程中引入特殊的FeO單層材料，這樣實現了(LuFeO3)m/(LuFe2O4)1超晶胞的構建。由於相鄰的LuFeO3的表面嚴重的褶皺效應可以使得具有鐵磁性的LuFe2O4產生同步的鐵電性質，同時可以降低其電子自旋的無序性和不穩定性，這樣大幅度得提高了磁性相變溫度(從240k(LuFe2O4)提高到了281k((LuFeO3)m/(LuFe2O4)1))。此外，鐵電序參量和鐵磁序參量相互耦合，可以實現之間的在200k溫度條件下電場對於磁性的調控。該研究也很好得闡釋了該合成方案的設計可以很好得製備出具有較高溫度條件下的磁電耦合的多鐵材料，並且很好得利用了該類材料的幾何不穩定性、晶格的變形以及外延生長技術，成功設計出理想的磁電耦合材料。
第一性原理計算出的LuFeO4的自旋結果
a,b,單斜結構的LuFe2O4系統的結構圖，Fe2+／Fe3+為反鐵電狀態（a：空間群：C2/m）以及鐵電狀態（b：空間群：Cm）。每個鐵離子的飽和磁化強度在右圖中計算出來（關於時間的函數）。對於鐵電狀態的LuFe2O4的溫度－每個鐵離子的飽和磁化強度計算出來作為Q的函數，結果顯示磁性相變溫度隨著結構的畸變程度而不斷增加。
文獻鏈接：Atomically engineered ferroic layers yield a room- temperature magnetoelectric multiferroic
2：Nature：氧化石墨烯膜通過陽離子控制層間距實現離子篩分
中國科學院上海應用物理研究所方海平、Jingye Li、上海大學吳明紅團隊、南京工業大學金萬勤團隊（共同通訊）等人使用K+，Na+，Ca2+，Li+或Mg2+離子顯示了利用陽離子控制層間距精確訂裝氧化石墨烯膜，表現出優異的離子篩分和海水淡化性能。此外，由一種類型陽離子控制的膜間距可以有效地選擇性地排除具有較大水合體積的其它陽離子。論文應用第一性原理計算和紫外吸收光譜表明，最穩定的陽離子吸附位置是氧化物基團和芳環共存的地方。而通過密度泛函理論計算表明，與Na+相比，其他陽離子應該具有比石墨烯片更強的陽離子-π相互作用。
兩個氧化石墨烯片之間陽離子的理論計算
文獻鏈接：Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing
3：Nature:鐵電材料性能的預測與優化——第一性原理計算本徵鐵電翻轉
鐵電材料是一種存在自發極化的材料，且自發極化有兩個或多個可能的取向，在電場作用下，其取向可以改變。它具有介電、壓電、熱釋電、鐵電以及電光效應、聲光效應、光折變效應和非線性光學效應等重要特性。鐵電體概括起來可以分成兩大類，一類以KH2PO4為代表，具有氫鍵，從順電相過渡到鐵電相是無序到有序的相變，屬有序無序型。另一類為位移型鐵電體，以BaTiO3為代表，從順電相到鐵電相轉變是由其中兩個子晶格發生相對位移。
卡內基研究所的Shi Liu與賓夕法尼亞大學的Ilya Grinberg 和Andrew M. Rappe利用分子動力學模擬鐵電材料PbTiO3的90o疇壁來提供一個微觀圖景，使得能構建一個可以量化在各種鐵電體中各類疇壁的動力學的簡單、普適、形核與生長為基礎的分析模型。然後預測了在有限溫度下電滯回線與矯頑場的溫度和頻率關係。此模型能夠定量測定矯頑場，與陶瓷和薄膜中的實驗結果符合很好。
從基於量子力學的第一性原理計算開始，提供鐵電材料的結構與能量模型的關鍵信息。利用第一性原理計算的結果，建立原子間相互作用勢模型，這個模型可以研究大的系統，達到845000個原子，用來探索在有限溫度下電場驅動疇壁的運動。利用大規模分子動力學模擬在一個大的溫度範圍內定量估算出無缺陷PbTiO3的一個90o疇壁的速度。利用密度泛函理論可以使分析模型有效的快速估算出電滯回線與矯頑場。
論文的工作表明，在有限溫度下從第一性原理計算出的零溫微觀量與宏觀現象的描述是相關的，提供了一個具體的過程來從微觀量直接快速計算出宏觀量。
利用第一性原理模擬的幾種材料的電滯回線與矯頑場
文獻鏈接：Intrinsic ferroelectric switching from first principles
4：Nature：在單原子水平上解密化學有序/無序態同材料性質的關係
完美的晶體在自然界是不存在的。現實中的材料往往存在缺陷，和化學有序/無序態，例如晶界，位錯，界面，表面重構以及點缺陷。這些缺陷嚴重影響著材料的性質和功能。儘管材料的定量表徵方法被快速建立，但精確處理有序/無序排列的三維（3D）原子和晶體缺陷對材料性質的影響仍是一大挑戰。與此同時，量子力學計算方法，如密度泛函理論（DFT）已經從開始的理想塊材模型處理系統發展為了具有摻雜、位錯、晶界和界面的真實材料模型處理系統，但是這些計算方法重度依賴平均原子模型晶體學。為了提高第一原理計算的預測能力，有必要在一般晶體學測量的真實系統之外使用原子坐標。
加利福尼亞大學納米系統研究所的Jianwei Miao教授（通訊作者）團隊近日確定了一個由6569個鐵原子和16627個鉑原子組成的鐵-鉑納米顆粒各個原子的三維坐標，並且在原子水平上精確測量了它的化學有序/無序態和晶體缺陷對材料性質的影響。前所未有地是，該團隊還辨別出了材料豐富的三維結構細節，包括其中的原子成分、生長晶界、反相晶界、反位點缺陷和交換缺陷。該團隊研究表明，通過直接輸入DFT計算中材料的性質（如原子自旋、軌道磁矩以及局部磁晶各向異性）可以實現在22皮秒精度下測定材料中的原子坐標和化學成分。
採用原子坐標和化學成分直接輸入的DFT法獲得的[100]和[001]方向之間的局域磁晶各向異性能（MAE）信息
文獻鏈接：Deciphering chemical order/disorder and material properties at the single-atom level
5：Nature:複合無機物相場的兩種晶體結構類型的加速發現
受限於材料既有大量可能的元素組成，也有龐大的潛在結構，所以探索研發新材料一直沒有一個很好的辦法。例如，無機結構拓展到固相結構的研究發現大部分都是依賴於晶體化學以及耗費大量時間的系統改變元素比值的材料合成。計算方法已經發展到通過精確成分預測結構和已知晶體結構預測成分來指導材料合成，並已經取得了巨大進步。然而要得到一個全新、實驗上可實現的物質，其包括晶胞和原子位置在內的晶體結構迥異於已知晶體結構，仍然是一個巨大的挑戰。很多有價值的性能得益於對已知結構的替換。但僅僅使用這種方法將帶來錯過最優性能解以及試圖利用不完整的知識來設計的風險。
本文報道了實驗發現的兩種結構，其通過對同時包含兩種結構的複雜無機相區域進行計算識別得到的。
通過計算探測結構的結果是獲得了該系統化學、結構上的多樣性，其能量可以與已知材料組合相當。接著對相圖中最低能量區域計算得到之前未有報道過的結構的兩種材料。
文獻鏈接：Accelerated discovery of two crystal structure types in a complex inorganic phase field
6：Science Advances：水溶液的電子結構：縮小實驗與理論之間的差距
預測水溶液的電性能是量子力學一項長期深遠的挑戰。但在大量新興能源和環境技術中，例如電池和光電化學電池設計，它仍然是理解和預測水溶液和電解質所承擔的關鍵角色的至關重要的一步。本篇提出了一個有效且精確的方法來預測水溶液的電性能，即基於第一性原理計算方法結合最先進的光譜學評測實驗確認。得到寬區域的溶解離子光電子譜，第一性原理分子動力學模擬和利用介質混合泛函的電子結構計算對包括激活能在內的溶質和溶劑的電性能以定量描述。
PO43?溶液的PE頻譜圖像
文獻鏈接：Electronic structure of aqueous solutions: Bridging the gap between theory and experiments
頂刊中第一性原理的應用遠不止這些，本篇僅為拋磚引用。如果您對第一性原理在材料科學上的應用有見解，歡迎您聯繫材料人編輯（微信號：cailiaokefu）投稿。
封面圖片與本文無關。
材料人編輯部Vera、鋼鐵俠聯合整理。
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