研究系统
材料基因组工程联合研发中心

   依托材料数据库与数字化模拟研究中心,联合烟台京师材料基因组工程研究院共同建设材料基因组工程联合研发中心。目前我国材料行业处在从模仿向原创跨越的新阶段,面对制造业用户提出的仿无可仿的全新技术需求,必然需要应用“基础原理+数据分析”的方法论,“材料基因组工程”就是其最新代表。材料基因组工程联合研发中心主要开展材料基因组工程基础研究与应用研究。基础研究方面主要开展材料信息化技术与材料计算模拟技术,包含材料数据标准化、材料数据挖掘技术研究和开发、材料数据可视化技术、构建多尺度材料计算模拟方法、发展和应用高精度的电子结构计算和电子组态优选方案、材料的计算机设计;应用方面主要集中在“卡脖子”材料领域的应用研究,比如显示材料、聚酰亚胺材料的研究等。具体的研发内容包括:

 (1)材料信息化技术

   ①数据标准化

   开发新的分子组装模型和化学空间搜索算法,同时借鉴人工智能中的小样本学习和自学习理论,建立一个与当前材料搜索引擎完全不同的、自下而上的材料数据库范式。采用高精度的电子结构计算作为检验手段,同时利用神经网络、自适应算法、贝叶斯分析和自助法等一系列人工智能技术,开发一个适用于材料数据库的置信度模型来评估新数据的可靠性,并与旧数据实现有效的整合。利用产学研结合,直接到工业生产一线收集成功的实验数据和海量的失败结果并进行交叉检验,同时结合支持向量机、主成分分析、决策树模型和有效描述符等机器学习机制,开发一套适用于发光材料数据库的储存方式和检索方案,为其他类型的材料数据库探索新标准,最终为材料基因组工程打造一个具有强大数据管理能力和原创技术标准的平台

   ②材料数据挖掘技术

   材料大数据的清洗,是对各种脏数据进行对应方式的处理,得到标准的、干净的、连续的数据,提供给数据统计、数据挖掘等使用。材料数据的清洗,需要借助理论计算模拟的技术,对数据进行填补、一致性和唯一性矫正。材料性质的数据挖掘,主要是建立在对材料性能和服役的理解基础之上的模式识别和模式预测。模式识别是从分散的数据中发现相关性、趋势、簇类、轨迹和异常现象的基础,模式预测的本质则是对材料物理与化学的理解。如何将这些数据挖掘技术应用到具体的细化领域的材料研究将是未来数据挖掘的重要方向。

 (2)材料计算模拟技术

   从新材料产业的实际需求出发,发展和应用新的计算方法,实现对材料性能的精准调控和高效模拟,主要从以下三个方面开展:

   ①构建多尺度材料计算模拟方法

   主要以第一性原理和分子动力学等多尺度手段,在小分子、大分子、高分子(聚合物)、半导体、复合材料等各种体系的多个尺度与层次的建模,包括:基于第一性原理方法的材料最微观的原子与电子结构尺度;基于经典分子动力学模拟等方法的纳米尺度;基于有限元、凝固模拟等方法的材料宏观尺度研究。

   ②发展和应用高精度的电子结构计算和电子组态优选方案

   与众多经验性、辅助性的计算模型相比,当前工业界对于高精度的量子化学计算方法和程序的接受程度比较低,亟需引入高精度的计算工具和策略,针对研究的具体材料,不断开发相应的高精度的电子结构计算方法和电子组态优选方案,准确预测材料的主要性能指标,同时结合多尺度模拟技术,充分考虑材料的复杂环境影响。

   ③材料的计算机设计

   根据不同材料的构造原理,可以制订一套规则,通过计算机生成丰富的材料候选库,对数据库中的材料进行充分的材料计算模拟,筛选出潜在的优秀材料;也可以通过遗传和突变算法,在已有的高性能材料基础上进行进一步的改造和升级,构建更多更优秀的候选材料。

 (3)材料基因组工程应用研究

   ①有机电致发光研究

   光提取材料:具有高折射率的光提取材料可以大幅提升器件的外量子效率。应对下一代材料需求,需要将材料在红光区折射率提升到2.0以上,蓝光区折射率>2.2。

   电荷传输材料:电荷传输材料包括空穴传输材料和电子传输材料,提升材料的迁移率是电荷迁移材料的核心,迁移率水平要达到10-3 cm2V-1s-1量级。

   发光材料:发光材料是OLED器件的核心,突破重金属磷光材料和蓝色荧光材料依然是材料的难点。红光材料发光主;峰在630nm左右,器件效率达到55cd/A;蓝光荧光材料的发光主峰在460nm左右,器件蓝光指数>160。

   聚酰亚胺材料:聚酰亚胺(PI)薄膜目前最大的应用领域是柔性印制电路板。含有精致导线、采用薄薄的、柔顺的聚合物薄膜制造的挠性电路(柔性电路)可以制造的很薄、很精巧,绝缘厚度小于25μm。近年来挠性电路的使用已经扩展到了无线电通信、计算机和汽车电子设备等领域。但是聚酰亚胺材料仍然被日本和欧美垄断。

   ②PI树脂热膨胀系数研究

   PI用于柔性电路最大的问题在于其热膨胀系数远大于电子元器件,由于这种热膨胀系数的差异,容易出现电路剥离或者裂纹产生,严重时会产生断裂。将针对不同的PI材料,采用量子力学研究PI单体和寡聚体的电子结构性质,构建热膨胀系数与构效关系模型,通过分子动力学模拟技术分析PI不同温度下的热膨胀过程,为设计新的PI单体提供理论支持。

   上述研究的两类材料,分别代表了有机小分子材料和有机高分子材料。对以上两类材料的应用研究,对于材料基因组工程技术在这两个材料领域的推广应用具有重要的示范意义。


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