设计材料:从原子到结构的计算、合成和表征

https://doi.org/10.1088/1402-4896/aab4e2理查德·费曼(Richard Feynman)阐述了在材料的合成和制造过程中操纵单个原子的“底部有足够的空间”这一观点，在此之后的50年里，通过将实验材料合成和表征与预测计算建模和优化的协同整合，“设计材料”范式正在逐步发展。我们回顾了这种范式是如何根据从分子到宏观尺度的具体、合理设计创造材料的可能性的。我们讨论了在实验小规模材料合成和大规模制造方法中有前途的技术，以操纵可以通过计算建模设计的原子或宏观结构。其中包括重组蛋白技术，用于生产由重组DNA编码的定制序列的肽和蛋白质，由蛋白质构象转变诱导的自组装过程，用于设计复杂结构的增材制造，以及不同长度尺度上材料的定性和定量表征。我们描述了重要的材料表征技术，使用多种方法的光谱学和显微镜。我们详细介绍了许多补充这些实验技术的多尺度计算建模技术:原子尺度的DFT;分子到中尺度的全原子和粗粒分子动力学;宏观尺度上的连续体建模。此外，我们提出了案例研究，利用实验和计算方法以综合的方式来扩大我们对二维材料和基于丝绸和丝绸弹性蛋白的材料的性质的理解。