【科研机构】中科院物理所锂离子电极材料高通量虚拟筛选平台

时间:2014-03-27

 

 背景:
 
        新材料的研发和应用, 历来是依赖于材料科学家和工程技术人员的经验和反复的实验试错实证法, 该方法虽然扎实可靠, 但该方法使得新材料研发周期远远超过工业产品的设计和新要求的步伐, 从而使材料的发展成了工业产品设计过程中的一个瓶颈。美国于2011年宣布开始实施“材料基因组工程启动计划”,该计划将发展、建设新的综合计算模拟的硬件和软件、实验观察和测量、数据库的建设和管理的材料创新平台, 为企业和创新者开发新产品和工序提供材料科学与工程方面的大量实践信息, 加速人们对材料科学基础的理解, 加速发现、开发和制造高新材料的速度”。“材料基因组计划”的一个突出重点是强调材料计算模拟、实验和数据库的协同性对加快材料研发的贡献[1]。
 
Figure 1 材料基因工程核心组成部分
         材料基因工程核心内容在于将实验科学、理论科学和计算科学的相关技术和方法有机结合,通过信息技术将各类研发数据和信息整合,进行新材料的研发和创新。具体实现方法将通过高性能、高通量的材料计算进行材料理论数据的获取, 并结合高通量的实验数据测试和采集技术,通过信息化技术对大规模、多源异构的材料数据进行处理分析, 从而实现寻找材料组成“基因”, 知识再发现、数据资源共享及跨平台协同研究的能力,同时基于大数据,建立完备的数据库。材料基因组计划旨在通过高通量的计算与实验方法,改变原有零散的“炒菜式”新材料研发模式存在的速度慢、有遗漏、数据不系统、判据不充分的缺点, 从而缩短研发周期, 提高研究精度,计算与实验快速结合,成为材料创新研发模式转变的有效途径[2]。
 
中科院物理所锂离子电极材料高通量虚拟筛选平台:
       中国科学院物理研究所清洁能源实验室纳米离子与纳米能源材料研究组长期从事锂电池研究,拥有理论计算、先进表征、材料制备、电化学、锂离子电池等不同学科背景的研究人员和配备相关的先进仪器。自2001年起,通过第一性原理计算电池材料的晶体结构、电子结构、离子输运活化能、反应动力学的研究。近年来,该研究组希望通过系统的热力学计算,能够从数千种含锂材料中选出合适的电极与电解质材料。但传统的计算方法耗时很长,无法实现这一功能。为了加快锂电池电池材料的筛选速度,进一步提高研究的效率,该团队决定利用不同精度的计算方法,对材料进行高通量虚拟筛选;受到MIT的Ceder团队元素替代思想的启发,在筛选已知材料时,还可以对材料中的元素适当的替代,以期发现新的材料。2013年该单位同时引进多尺度分子模拟软件Material Studio以及科学行业的研发信息流程定制和信息整合平台Pipeline Pilot。借助Pipeline Pilot平台将Dmol3,Castep等计算软件以及自行开发的软件无缝地整合进入定制化的网页客户端(developed by Pipeline Pilot)中,供全组研发人员共同使用。这是国内首次将信息技术Pipeline Pilot平台与材料模拟Material Studio平台结合应用于无机材料基因组的研究上。该虚拟高通量筛选平台的建立,借助Pipeline Pilot平台的整合功能及图形化工作流编程思路,可以显著降低开发的难度,且具有良好的拓展性能。同时,利用Pipeline Pilot的高效并行机制及作业管理机制,可以提高高通量虚拟筛选的效率。此外,通过Pipeline Pilot还能够对数据库进行管理,有效地管理计算结果及各种中间结果数据。更为方便的是,该平台提供网页版的登陆和操作界面,使操作更简单易懂,方便推广和提高资源的利用率,提高团队内部的协作能力。解决了大部分实验研究人员并不具备足够的材料计算模拟的知识,但也希望利用第一性原理计算结果来辅助他们研究的难题。
 
 
Figure 2 锂电池电池材料高通量虚拟筛选平台
        随着材料基因组在国内的逐步展开,在现有高通量虚拟计算实现的基础上,创腾科技将与中国科学院物理研究所清洁能源实验室一起就基础模拟数据的数据库存储与管理、实验数据的录入与数据挖掘、锂电池数据库的构建等多个方面展开进一步的合作。

 

参考文献:
1. 科学通报, 2013, 58(35): 3617-3617;
2. 科学通报, 材料基因组框架下的材料集成设计及信息平台初探,2013, 58(35): 3733-3742
 
其他简要阅读材料:
       Materials Studio分子模拟软件,它可以运行在台式机、各类型服务器和计算集群等硬件平台上。该软件广泛应用在石油、化工、环境、能源、制药、电子、食品、航空航天和汽车等工业领域和教育科研部门。Materials Studio分子模拟软件采用了先进的模拟计算思想和方法,如量子力学(QM)、线性标度量子力学(Linear Scaling QM)、分子力学(MM)、分子动力学(MD)、蒙特卡洛(MC)、介观动力学(MesoDyn)和耗散粒子动力学(DPD)、统计方法QSAR(Quantitative Structure - Activity Relationship )等多种先进算法和X射线衍射分析等仪器分析方法;模拟的内容包括了催化剂、聚合物、固体及表面、界面、晶体与衍射、化学反应等材料和化学研究领域的主要课题。
 
        
Figure 3 多尺度材料模拟平台Material Studio
 
        Pipeline Pilot是一个适用于生命、医药、材料、化工等科学行业的研发信息流程定制和信息整合平台,它在优化材料基因组研究创新周期、提高工作效率与减少研究和IT经费方面能够发挥巨大作用。通过Pipeline Pilot,用户不仅能够整合和挖掘杂乱无章的海量研究数据,自动化数据的分析流程,而且还可以实现企业级的研究成果快速分析、可视化与共享,提升大范围的协作能力。Pipeline Pilot中的Materials Studio(MSC)模块,集成并支持Materials Studio(MS)中主要的建模和模拟工具,可以为材料研究的预测分析和自动化工作流程提供完整的软件解决方案。MSC模块通过将Dmol3,Castep等计算软件无缝地整合到Pipeline Pilot中,并可以非常方便地进行高通量的多任务并行计算,且提供诸多的材料数据的分析处理工具,使得它非常适合于材料高通量计算的开发。此外,Pipeline Pilot还可以非常方便地开发各种网页客户端,并支持材料分子的在线页面的显示(3D和可操作),同时它强大的数据库管理能力,也非常适合用于计算结果的保存与管理。由于Pipeline Pilot能够非常好地来解决该问题,大大减少开发时间和开发难度,因此我们采用Pipeline Pilot来完成整个研究流程的开发与定制。
 
 
Figure 4 信息流程定制和信息整合平台Pipeline Pilot
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