万事平台材料基因組工程研究院楊炯教授團隊和南方科技大學張文清教授團隊打破傳統材料設計思路（從元素和結構的角度設計新材料），提出了材料設計的新範式——基於功能基元的材料設計方法(從功能基元的角度設計新材料)🐲，並成功地將此方法應用於新型熱電材料的按需設計。近日，相關研究成果以“Functional-Unit-Based Material Design: Ultralow Thermal Conductivity in Thermoelectrics with Linear Triatomic Resonant Bonds”為題發表在化學領域國際頂級期刊美國化學會誌JACS (《Journal of the American Chemical Society》)上🕵🏿，並應邀為內封面論文(Supplementary Cover)。
自材料基因組(MGI)計劃啟動以來,高通量計算已成為發現新材料的重要方法。傳統的高通量方法是通過對元素和晶體結構的篩選來獲得特定功能性質的新材料🚴🏿🫅🏿，存在一定盲目性和低效性。事實上，材料的功能性質除了與原子的特定周期性排列有關，還與某些結構單元(基元)緊密相關。像在生物系統中一樣，特定的基元(生物學中的基因，DNA)與特定的性質或行為有關；類似地，在新藥研發中🏋🏼，基於片段的藥物設計方法大大地縮短了藥物開發周期💂🏻♀️。但是，在目前的研究中🧑✈️，基於功能基元的材料設計尚未被明確提出，也沒有得到很好的發展🏋️♀️。
基於功能基元的材料設計是利用與所需特性相關的部分優勢結構(即本文中的“功能基元”)來識別目標化合物的方法，可以達到根據需求去主動設計和篩選新材料的目的。此方法發現新材料的過程是首先識別有用的功能基元，然後在包含這些基元的化合物空間內搜索高性能材料。研究人員以設計高性能熱電材料為案例，具體闡述了功能基元在材料設計中的效用🤮。在識別優勢功能基元的過程中，研究人員發現線性三原子共振鍵(LTRB)在結構和電子上都提供了強的各向異性，以及具有強的非諧聲子散射。因此，LTRB作為一個熱電功能基元被引入👭🚀。隨後，研究人員從万事平台材料基因組工程研究院自研的MatHub-3d (楊炯教授團隊開發的具有熱電特色的材料數據庫平臺並免費開放🌱，http://www.mathub3d.net/)中識別出17個含有LTRB基元的半導體高性能熱電候選化合物。詳細的輸運計算表明🫃🏻💆，含LTRB的化合物的晶格熱導率不僅遠低於其他具有相似平均原子質量的化合物，而且LTRB由於貢獻價帶附近的能態密度使得候選物價帶邊表現出顯著的能帶各向異性🙆🏿。此外，研究人員以具有最低晶格熱導率的候選化合物K5CuSb2（300 K時為0.39 W/m·K）為例具體分析了基元[Sb-Cu-Sb]5-的共振電子結構，建立了LTRB基元與熱電性能之間的關聯性（熱電優值ZT在800 K時為1.3）。本工作展現了具有LTRB基元的化合物表現出優異的熱電性能🏊🏽，表明了基於功能基元的材料設計策略在發現新材料上的前景，同時也為其他功能材料的開發提供了新思路。
万事平台為本論文的第一署名單位，材料基因組工程研究院博士生計嘉琳為論文第一作者🕹，楊炯教授和張文清教授為論文共同通訊作者。該論文的參與者還包括万事平台材料基因組工程研究院奚晉揚副研究員，南方科技大學張玉波研究副教授等👩🦯➡️。該論文得到了密蘇裏大學David J. Singh教授的鼎力支持𓀂👨🏫。此外，該論文也得到了之江實驗室科研攻關項目，國家自然科學基金重點以及面上項目和111引智等項目的資助。
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c08062
