54CALYPSO晶體結(jié)構(gòu)預測方法與應用

1、2019年度國家自然科學獎提名公示材料項目名稱CALYPSO晶體結(jié)構(gòu)預測方法與應用提名單位教育部提名意見 （不超過600 字）該項目緊密羽繞晶體的微觀結(jié)構(gòu)基礎科學問題開展了深入和系統(tǒng) 的研究，發(fā)展了僅依據(jù)化學組分的CALYPSO晶體結(jié)構(gòu)預測方法和軟 件，為國際同行開展結(jié)構(gòu)預測研究提供了重要方法和有力工具。 CALYPSO在61個國家和地區(qū)的700余個科研單位得到了推廣和應用， 被包括諾貝爾獎得主以及美國、加拿大和中國院士在內(nèi)的2300余位國 際同行采用，在Nature子刊、PRL、PNAS、JACS等刊物發(fā)表了 700余 篇SCI論文，發(fā)表文章數(shù)目在國際同類方法中排名第一。該項目利用 CALY

2、PSO方法開展了典型應用示范研究，獲得了若干創(chuàng)新性成果。該項目的8篇代表性論文發(fā)表在Nat Cliein, Nat Commun、PRL等 學術(shù)刊物上，在國際上產(chǎn)生了重大影響，得到學術(shù)界的高度評價和大篇 幅引用，SCI總他引1704次，單篇最高SCI他引640次，5篇入選“ESI 高被引論文”，1篇入選“中國百篇最具影響國際學術(shù)論文”。被Science 雜志選為 Editor's choice,彼 Chemistry World USA today > New Scientist 和HUFFPOST Science等國外多家科學媒體進行亮點報道。研究工作提 升了我國結(jié)構(gòu)預測研究的

3、整體水平。對照國家自然科學獎授獎條件，我部決左提需該項目為2019年度 自然科學獎二等獎。晶體結(jié)構(gòu)是理解凝聚態(tài)物質(zhì)的去觀性質(zhì)和開展新材料設計的基礎。 從理論上準確預測晶體結(jié)構(gòu)是學界的長期夢想，預測的關(guān)鍵是確左晶體 玻恩-奧本海默勢能而的最低能態(tài)。由于勢能面具有髙維度和多能谷的復 雜特性，最低能態(tài)的確泄是一個巨大的挑戰(zhàn)。1988年Nature期刊主編 Maddox發(fā)表評論稱：從理論上預測物質(zhì)的結(jié)構(gòu)是幾乎無法完成的任務 Nature 335, 201 (1988)。本項目提出了基于物理約朿的啟發(fā)式全局優(yōu)化求解勢能而最低能態(tài) 的學術(shù)思想，發(fā)展了卡里普索(CALYPSO晶體結(jié)構(gòu)預測方法，解決了 多個傳

4、統(tǒng)結(jié)構(gòu)預測方法無法解決的科學難題，研究工作提升了我國結(jié)構(gòu) 預測研究的整體水平，推動了計算物理學的進一步發(fā)展。主要發(fā)現(xiàn)點為:一、提出對稱性分類檢索策略，引入多目標群智優(yōu)化算法，發(fā)展了 僅依據(jù)化學組分的CALYPSO晶體結(jié)構(gòu)預測方法，編制了自主產(chǎn)權(quán)的汁 算軟件(詳見),成為國際通用方法和軟件。二、發(fā)展了限域條件下的結(jié)構(gòu)預測方法，實現(xiàn)了表而、層狀和團簇 等低維結(jié)構(gòu)的智能預測，形成了包含10個功能模塊的CALYPSO新材料 設汁平臺。用戶設計了 300余種新材料(如半導體、拓撲和電子化合物 等材料)。項目簡介三、利用CALYPSO解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)預測方法無法解決的科學難題: 預言了地核環(huán)境下存在鐵-毎化

5、合物，得到實驗證實，為揭開50年的“毎 氣的消失之謎”提供了新機制；破解了近40年未解的BgTe3髙壓超導相 結(jié)構(gòu)難題。歷經(jīng)12年的發(fā)展，CALYPSO形成6個軟件著作權(quán)，在61個國家 和地區(qū)的700余單位得到推廣和應用，被諾獎得主以及美國、加拿大和 中國院士等2300余位同行采用。明確標注使用CALYPSO,ffl戶在Nature 子刊、PRL、PNAS等刊物發(fā)表700余篇SCI論文，發(fā)表文章數(shù)目在國 際同類方法中排名第一。國際同行積極評價CALYPSO的有效性和效率：諾獎得主、美國康 奈爾大學Hoffmann評價為"發(fā)展很好"(well-developed)的結(jié)構(gòu)預測方

6、 法：美國科學院院士 Hemley評價為結(jié)構(gòu)預測研究的“一個強大工具“ Q powerful tool):中國科學院院士田永君評價為“高度有效”(highly effective)的方法。CALYPSO寫入16本國際專著和系列叢書，并作為 計算物理專用名詞收錄于物理學大辭典。CALYPSO方法產(chǎn)生了重要的國際影響：項目成員應邀在美國APS 和ACS三月會議、Gordon會議等國際會議作大會或分會邀請報告60余 次：意大利國際理論物理中心和Quantum Espresso基金會將首屆"Walter Kohn"國際獎授予馬琰銘，以表彰他在計算模擬領域做岀的“杰出貢 (outst

7、anding contributions)。本項目8篇代表性論文發(fā)表在Nat Chem、Nat Commun、PRL等刊 物上，SCI總他引1704次，單篇最高SCI他引640次，5篇入選“ESI高 被引論文“，1篇入選“中國百篇最具影響國際學術(shù)論文"，獲教育部自然 科學一等獎。馬琰銘入選2017、2018年度科睿唯安'高被引科學家"(Highly Cited Researchers )o客觀評價本項目8篇代表性論文發(fā)表在Nat Chem、Nat Commun、PRL等學 術(shù)刊物上，SCI總他引1704次，單篇最髙SCI他引640次，其中5篇論 文SCI他引超過10

8、0次，5篇入選“ESI高被引論文”，1篇入選“中國百 篇最具影響國際學術(shù)論文“。項目成果被Science等雜志進行了焦點評述， 被 USA Today > Chemistry World 和 Chenucal & Enguieering News 等 9 家 科學媒體專題評述，被16本系列叢書和35篇專題綜述引用和介紹。諾 貝爾化學獎獲得者、美國科學院院士 Hoffinaim和美國科學院院士 Ashcroft領導的康奈爾大學研究團隊，美國科學院院士 Mao和美國科學 院院士 Hemley領導的卡耐基研究團隊，英國劍橋大學，瑞士蘇黎世大 學等50多個國家的1000余個研究機構(gòu)在Na

9、t Mater. Nat Chem. Nat Commun、PRL、PNAS等SCI期刊上廣泛引用和正面評價了本項目成 果，并開展了一系列后續(xù)的跟蹤和拓展研究?；诒卷椖砍晒?，第一完 成人馬琰銘獲得意大利國際理論物理中心和Quantum Espresso基金會聯(lián) 合授予的首屆“沃爾特科恩(WalterKolm獎“。1、本項目成果被Nature系列刊物專欄、國際學會、網(wǎng)站以及綜述 和專著專題評述、引用和介紹CALYPSO結(jié)構(gòu)預測方法得到了國際凝聚態(tài)物理和化學領域同行的 高度評價和廣泛介紹，被16本國際專著/系列叢書以及多家科學網(wǎng)站收 錄和亮點報適。如，美國紐約州立大學結(jié)構(gòu)預測專家Zurek在Wi

10、ley出 版的系列叢書Reviews m Computational Chemistry第29卷中，通過一 整節(jié)詳細介紹和評述了 CALYPSO方法，并在晶體結(jié)構(gòu)預測綜述文章 PCCP 17,2917(2015)中大篇幅引用和評價CALYPSO方法，指出：“馬及其合作者首次采用粒子群優(yōu)化算法開發(fā)了 CALYPSO結(jié)構(gòu)預測程序“； 澳大利亞聯(lián)邦大學Zhang在Springer集團岀版的專著Molecular Structures and Structural Dynamics of Prion Proteins and Prions通過單獨 一章對CALYPSO方法原理和應用進行專題介紹；徳國薩

11、爾大學 Sprmgborg等人主編的系列叢書Chemical Modelling第12卷中，通過 獨立的一節(jié)對CALYPSO方法及其應用進行了詳細的介紹；國際知劃第 一性原理軟件VASP官網(wǎng)和我國國家超級計算天津中心官網(wǎng)對 CALYPSO方法和軟件進行了重點推介：2015年9月科學通報在第 27期推出了“CALYPSO結(jié)構(gòu)預測方法及應用“專題，全而介紹CALYPSO 方法及英應用的最新進展。都有為院士主編的物理學大辭典收錄了 297個計算物理學詞條，其中“CALYPSO結(jié)構(gòu)預測方法"是由我國自主創(chuàng) 新的計算物理詞條。項目典型示范應用研究成果得到國際主流科學媒體的跟蹤報道和高 度評價。

12、如，Xe-Fe化合物成果被Science雜志選為Editor's choice,指 出：“晶體結(jié)構(gòu)預測發(fā)現(xiàn)了 X亡Fes和XeNg化合物，表明地核內(nèi)部可能是 地球上消失了的筑氣的藏身之所”：英國化學學會的Chemistry World雜 志發(fā)表了題為"瓦氣消失之謎新解(New Solution to Missmg Xenon Paradox) ”的專題報道，評價本工作開辟了“一個新的化學世界(ANew World in Chemistry)":被USA Today評價為"本周5個最不可思議的發(fā) 現(xiàn)之一"；Live Science. HUFF PO

13、ST Science、New Scientist 和 CERN COURIER分別以“在地核中找到了消失的毎氣“、“在地核中找到了神秘 失蹤的舐氣“、“地球上消失的氤氣藏在熾熱的鐵的懷抱“和“佩氣藏身何 處“為題報道了該工作。2、本項目成果被大段引用和高度評價，國際同行開展了系列跟蹤和 拓展研究CALYPSO結(jié)構(gòu)預測方法(發(fā)現(xiàn)點一和二)的4篇代表性論文SCI他 引1290次，其中2篇入選“ESI高被引論文“。國際同行髙度評價了 CALYPSO方法的有效性和效率。如諾貝爾獎得主Hoffmann指出：我們 采用的CALYPSO是“發(fā)展很好“(weU-developed)的結(jié)構(gòu)預測方法：美 國科學院

14、院士 Heinley評價：CALYPSO方法可成功應用于不同材料體 系，被證明是開展髙壓相結(jié)構(gòu)研究的“一個強大工具“ (a powerful tool)： 中國科學院院士出永君評價為“高度有效”(highlyeffecHve)的方法：美 國波多黎各大學陳中方評價為具有"出色效率"(excellent efficiency)的 方法。美國卡耐基研究院著名物理學家Cohen評述：CALYPSO和 XTALOPT方法的發(fā)展使晶體基態(tài)結(jié)構(gòu)預測變得“更加簡便和高效“(much easier and more efficient)。美國加州大學著名理論化學家Miao 等人指岀：大量前期

15、研究工作證實CALYPSO是髙效可靠的結(jié)構(gòu)預測方 法，在這種'強大"(powerful)方法的幫助下，我們獲得研究體系的基態(tài) 結(jié)構(gòu)。美國內(nèi)華達大學Chen等人指出：CALYPSO方法被證明是一種“高 效準確” (effective and accurate)且可適用于不同材料體系的晶體結(jié)構(gòu) 預測方法。項目典型示范研究成果(發(fā)現(xiàn)點三)被國際同行廣泛引用、髙度評 價和跟蹤拓展研究。4篇代表論文SCI他引414次，其中3篇入選“ESI 高被引論文二在本項目成果的引領下，一個中、美、俄、加國際聯(lián)合團 隊實驗合成了本項目預言的XeFe3和XeNis：法國原子能和替代能源委 員會Dewa

16、ele等人也合成出了 XeNi3o Bi/Tes高壓超導相結(jié)構(gòu)成果，為 A：B3型化合物提供了全新結(jié)構(gòu)原型，被廣泛用來設計和指認A2B5型高 壓新相的結(jié)構(gòu)。西班牙瓦倫西亞理工大學的Vilaplana等人開展了跟蹤研 究，獲得了 Bi2Te3高壓拉曼數(shù)拯，進一步證實本項目研究結(jié)果，并評價: Bi-Te材料的高壓晶體結(jié)構(gòu)是一個長期懸而未解的難題，尤其是結(jié)合 了基于粒子群優(yōu)化算法的結(jié)構(gòu)預測軟件，才確左岀BuTes的髙壓相結(jié)構(gòu) 和空間群“?；诟邏合卤碾x子相結(jié)構(gòu)，美國加州大學Militzer等人 構(gòu)建了冰的相圖PRL 110,151102(2013),并指出：“CALYPSO預言出 了最穩(wěn)左的冰高壓

17、相結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過隨機方法無法得到”，為 CALYPSO的先進性提供了佐證。代表性論文專著目錄序 號論文專著名稱 /刊名/作者年卷 頁碼發(fā)表時 間通訊作 者第一作 者國內(nèi)作者SCI 他引 次數(shù)他引 總次 數(shù)論 文 署 名 單 位 是 否 包 含 國 外 單 位1Crystal Stmcnire Prediction viaParticle Swarm Optinnzation / Phys. Rev. B / Yanchao Wimg、 Jian Lv. Li Zhu and Yaiunmg Ma2010 年 82卷094116 頁2010 年 9月28日YanmingMaYanchaoWan

18、g王彥 超，呂 健，朱黎， 馬琰銘640665否2CALYPSO: A method for crystal structure prediction / Comput. Phys. Coinmun / Yanchao Wimg、 Jian Lv, Li Zhu and Yamning Ma2012 年183卷2063 貞2012 年10丿J 1日YanmingMaYanchaoWang王彥 超.呂 健朱 黎，馬 琰銘470482否3Selfassembled ultrathin nanotubes on diamond (100) surface / Nature Comnnin. / Sh

19、aohua Lu, YanchaoHanyu Liu. bo sheng Miao and Yanmin? Ma2014 年5卷3666 頁2014 年 416 日shengMiao andYanmingMaShaohuaLu魯少 華，王 彥超.劉寒 雨.馬 琰銘6163是4Particle-sxvarm structure prediction on clusters / J. Chem.Phys. / Jian Lv, Yanchao Wang, Li Zhu and Yaimiin Ma2012 年137卷084104頁2012 年 8丿J 23日YanmingMaJian Lv呂 健.

20、王 彥超， 朱黎，馬 琰銘119122否5Reactions of xenon nth iron and nickel are predicted in the Earth's inner core / Nature Chem. / Li Zhu. HanyuLiu. Chris J. Pickard.Guangtian Zon and Yamning Ma2014 年6卷644頁2014 年 4” 20日YanmingMaLi Zhu朱 黎.劉 寒雨， 鄒廣 田,馬 琰銘119121是6Substmitional Alloy of Bi andTeat High Pressure /

21、 Phys.Rev. Lett. / Li2011 年106卷 145501 頁2011 年 4月8日YanmeiMa andYanmingMaLi Zhu朱黎，王 臥王 彥超， 呂146148否Zhu, HuiYanchaoJian Lv, Yamnei 'la Qiliang Cui. Yanming Ma andGuangtian Zon健,馬 艷梅， 葆啟 良，馬 琰銘， 鄒廣田7High pressure partially ionic phase of water ice / Nature Comnmn. / Yanchao 'ang, Hanyu Liu, Jia

22、n Lv, Li Zhu, Hui Wang and Yanming Ma2011 年2卷563頁2011 年11 月 29日YamningMaYanchaoWang王彥 超，劉 寒雨， 呂健.朱 黎，王 略馬 琰銘9597否8Spiral chain 0 form of dense oxygen / Proc. Natl. Acad. Sci.USA/Li Zhu. Znvei Wang, Yanchao Wimg、 Guangtian Zou. Ho-Kwang Mao and Yanming Ma2012 年109卷751頁2012 年 1JJ 17 HHo-KwangMao andYa

23、ninmgMaLi Zhu朱 黎，王 紫薇， 王彥 超，鄒 廣田, 馬琰銘5454是合計17041751馬琰銘排名：1行政職務：吉林大學物理學院院長技術(shù)職稱：教授工作單位：吉林大學完成單位：吉林大學主要完成人 項目貢獻：本項目的負責人，提岀了項目的總體學術(shù)思想，指左了總體研究 情況 方案，和博士生一起實施了研究方案。對重要科學發(fā)現(xiàn)中的第一、二、 三項科學發(fā)現(xiàn)均做出了創(chuàng)造性的突出貢獻，是本項目8篇代表性論文的責 任作者。王彥超排名:2行政職務：無技術(shù)職稱：教授工作單位：吉林大學完成單位：吉林大學項目貢獻：本項目的主要完成人之一，對重要科學發(fā)現(xiàn)中的第一、二、 三項科學發(fā)現(xiàn)做出了創(chuàng)造性貢獻，是第1、2、7篇代表性論文的第一作者， 第3、4、6、8篇代表性論文的主要合作者。呂健排名：3行政職務：無技術(shù)職稱：講師工作單位：吉林大學完成單位：吉林大學項目貢獻：本項目的主要完成人之一，對重要科學發(fā)現(xiàn)中的第一、二、 三項科學發(fā)現(xiàn)做出了創(chuàng)造性貢獻，是第4篇代表性論文的第一作者，是第 1、2、6、7篇代表性論文的主要合作者。劉寒雨排名:4行政職務：無技術(shù)職稱：教授工作單位