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科学大讲堂 | 吉林大学马琰铭教授解读CALYPSO晶体结构预测方法和计算软件

2020年9月28日下午,吉林大学马琰铭教授来访我校,做客理学院第035期科学大讲堂,在图书馆111报告厅为我校师生带来一场以“CALYPSO晶体结构预测方法和计算软件"为主题的精彩讲座。此次讲座由理学院物理系张文清教授主持。

 

嘉宾简介


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马琰铭教授


马琰铭,吉林大学物理学院院长、超硬材料国家重点实验室教授、博士生导师。曾获国家杰出青年科学基金,全国优秀科技工作者称号,中国青年科技奖,吉林省青年科技奖特别奖,国际高压科学技术协会的Jamieson奖和意大利国际理论物理中心的Walter Kohn奖等。他发现了高压下钠从金属到绝缘体的逆Wilson转变,并建立了晶体结构预测方法,研发了一套CALYPSO (Crystal Structural AnaLYsis by Particle Swarm Optimization)计算软件,目前CALYPSO已成为该领域国际通用的科学软件,被超过70个国家的2900多名研究人员所使用,推动解决了与晶体结构预测密切相关的一系列科学问题。


马琰铭教授课题组的研究方向主要为高压等限域条件下凝聚态物质的新结构、新现象和新效应的理论和实验研究,以及高压下新型功能材料的理论设计和实验合成。


讲座详情


在本次报告中,马琰铭教授着重介绍了其课题组独立开发的CALYPSO (Crystal Structural AnaLYsis by Particle Swarm Optimization)晶体结构预测软件和计算方法。晶体结构是材料科学的研究基础,它决定了材料的宏观性质,虽然通过X衍射等方法确定材料晶体结构的实验技术手段已相对完善,但受样品纯度、实验条件、复杂构型等条件限制,目前的实验方法用于确定某些材料的结构仍存在挑战。


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马教授在讲解


基于晶体结构在物质研究中的重要性,马琰铭教授课题组提出以理论计算为先导开展晶体结构的预测研究。理论预测晶体结构的目标是确定Born-Oppenheimer势能面的最低能态,而由于势能面的高维度和多能谷等复杂特性,确定其最低能量状态在数学上属于NP-hard问题,无法给出解析解,直接的数值计算也需要搜索天文数字的可能结构及其能量空间,多年来一直被学界认为是不可能完成的任务。马琰铭教授课题组基于物理约束的启发式数值求解方案和晶体对称性的分类检索思想,结合粒子群多目标优化算法,简化势能面,引用成键特征矩阵量化表征结构信息,对势能面进行分解,然后采用仿生学群智能算法,可以基本实现快速求解势能面最低能态,发展了CALYPSO晶体结构预测软件。目前CALYPSO软件已是国际上通用的晶体结构预测方法之一。


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讲座现场


CALYPSO软件包的输入量是化学组分和外界条件(如压力),通过结构演化和总能的计算来合理确定物质的结构,并可以根据需要进行功能材料(如超硬材料等)的结构设计。讲座中,马琰铭教授介绍了利用CALYPSO软件解决科学难题的典型案例,如化解Au-H无法形成化合物的难题、大气总氙气的消失、和多种高压物质结构相之谜等。该软件不仅可以开展三维晶体的结构研究,还可以开展二维层状材料和二维表面重构以及零维团簇的结构研究,未来还可以开展其它结构现象丰富的热点研究(如界面、过渡态、化学反应等等)。

 

互动环节


讲座后,现场师生就CALYPSO计算原理、势能面分解等问题与马教授进行探讨,现场互动热烈。


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现场互动


讲座最后,理学院党委书记、副院长、物理系系主任何佳清教授为马琰铭教授颁发荣誉证书,何佳清教授、马琰铭教授、张文清教授共同合影留念,讲座圆满结束。



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何佳清、马琰铭、张文清(右起)合影



通讯员:王珮