54CALYPSO晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法與應(yīng)用

1、2019年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)提名公示材料項(xiàng)目名稱CALYPSO晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法與應(yīng)用提名單位教育部提名意見(jiàn) （不超過(guò)600 字）該項(xiàng)目緊密羽繞晶體的微觀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展了深入和系統(tǒng) 的研究，發(fā)展了僅依據(jù)化學(xué)組分的CALYPSO晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法和軟 件，為國(guó)際同行開(kāi)展結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)研究提供了重要方法和有力工具。 CALYPSO在61個(gè)國(guó)家和地區(qū)的700余個(gè)科研單位得到了推廣和應(yīng)用， 被包括諾貝爾獎(jiǎng)得主以及美國(guó)、加拿大和中國(guó)院士在內(nèi)的2300余位國(guó) 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(guó)際同類(lèi)方法中排名第一。該項(xiàng)目利用 CALY

2、PSO方法開(kāi)展了典型應(yīng)用示范研究，獲得了若干創(chuàng)新性成果。該項(xiàng)目的8篇代表性論文發(fā)表在Nat Cliein, Nat Commun、PRL等 學(xué)術(shù)刊物上，在國(guó)際上產(chǎn)生了重大影響，得到學(xué)術(shù)界的高度評(píng)價(jià)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(guó)百篇最具影響國(guó)際學(xué)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(guó)外多家科學(xué)媒體進(jìn)行亮點(diǎn)報(bào)道。研究工作提 升了我國(guó)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)研究的

3、整體水平。對(duì)照國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)授獎(jiǎng)條件，我部決左提需該項(xiàng)目為2019年度 自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。晶體結(jié)構(gòu)是理解凝聚態(tài)物質(zhì)的去觀性質(zhì)和開(kāi)展新材料設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 從理論上準(zhǔn)確預(yù)測(cè)晶體結(jié)構(gòu)是學(xué)界的長(zhǎng)期夢(mèng)想，預(yù)測(cè)的關(guān)鍵是確左晶體 玻恩-奧本海默勢(shì)能而的最低能態(tài)。由于勢(shì)能面具有髙維度和多能谷的復(fù) 雜特性，最低能態(tài)的確泄是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。1988年Nature期刊主編 Maddox發(fā)表評(píng)論稱：從理論上預(yù)測(cè)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)是幾乎無(wú)法完成的任務(wù) Nature 335, 201 (1988)。本項(xiàng)目提出了基于物理約朿的啟發(fā)式全局優(yōu)化求解勢(shì)能而最低能態(tài) 的學(xué)術(shù)思想，發(fā)展了卡里普索(CALYPSO晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法，解決了 多個(gè)傳

4、統(tǒng)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法無(wú)法解決的科學(xué)難題，研究工作提升了我國(guó)結(jié)構(gòu) 預(yù)測(cè)研究的整體水平，推動(dòng)了計(jì)算物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)為:一、提出對(duì)稱性分類(lèi)檢索策略，引入多目標(biāo)群智優(yōu)化算法，發(fā)展了 僅依據(jù)化學(xué)組分的CALYPSO晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法，編制了自主產(chǎn)權(quán)的汁 算軟件(詳見(jiàn)),成為國(guó)際通用方法和軟件。二、發(fā)展了限域條件下的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了表而、層狀和團(tuán)簇 等低維結(jié)構(gòu)的智能預(yù)測(cè)，形成了包含10個(gè)功能模塊的CALYPSO新材料 設(shè)汁平臺(tái)。用戶設(shè)計(jì)了 300余種新材料(如半導(dǎo)體、拓?fù)浜碗娮踊衔?等材料)。項(xiàng)目簡(jiǎn)介三、利用CALYPSO解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法無(wú)法解決的科學(xué)難題: 預(yù)言了地核環(huán)境下存在鐵-毎化

5、合物，得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)，為揭開(kāi)50年的“毎 氣的消失之謎”提供了新機(jī)制；破解了近40年未解的BgTe3髙壓超導(dǎo)相 結(jié)構(gòu)難題。歷經(jīng)12年的發(fā)展，CALYPSO形成6個(gè)軟件著作權(quán)，在61個(gè)國(guó)家 和地區(qū)的700余單位得到推廣和應(yīng)用，被諾獎(jiǎng)得主以及美國(guó)、加拿大和 中國(guó)院士等2300余位同行采用。明確標(biāo)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(guó) 際同類(lèi)方法中排名第一。國(guó)際同行積極評(píng)價(jià)CALYPSO的有效性和效率：諾獎(jiǎng)得主、美國(guó)康 奈爾大學(xué)Hoffmann評(píng)價(jià)為"發(fā)展很好"(well-developed)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方

6、 法：美國(guó)科學(xué)院院士 Hemley評(píng)價(jià)為結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)研究的“一個(gè)強(qiáng)大工具“ Q powerful tool):中國(guó)科學(xué)院院士田永君評(píng)價(jià)為“高度有效”(highly effective)的方法。CALYPSO寫(xiě)入16本國(guó)際專著和系列叢書(shū)，并作為 計(jì)算物理專用名詞收錄于物理學(xué)大辭典。CALYPSO方法產(chǎn)生了重要的國(guó)際影響：項(xiàng)目成員應(yīng)邀在美國(guó)APS 和ACS三月會(huì)議、Gordon會(huì)議等國(guó)際會(huì)議作大會(huì)或分會(huì)邀請(qǐng)報(bào)告60余 次：意大利國(guó)際理論物理中心和Quantum Espresso基金會(huì)將首屆"Walter Kohn"國(guó)際獎(jiǎng)授予馬琰銘，以表彰他在計(jì)算模擬領(lǐng)域做岀的“杰出貢 (outst

7、anding contributions)。本項(xiàng)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(guó)百篇最具影響國(guó)際學(xué)術(shù)論文"，獲教育部自然 科學(xué)一等獎(jiǎng)。馬琰銘入選2017、2018年度科睿唯安'高被引科學(xué)家"(Highly Cited Researchers )o客觀評(píng)價(jià)本項(xiàng)目8篇代表性論文發(fā)表在Nat Chem、Nat Commun、PRL等學(xué) 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(guò)10

8、0次，5篇入選“ESI高被引論文”，1篇入選“中國(guó)百 篇最具影響國(guó)際學(xué)術(shù)論文“。項(xiàng)目成果被Science等雜志進(jìn)行了焦點(diǎn)評(píng)述， 被 USA Today > Chemistry World 和 Chenucal & Enguieering News 等 9 家 科學(xué)媒體專題評(píng)述，被16本系列叢書(shū)和35篇專題綜述引用和介紹。諾 貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者、美國(guó)科學(xué)院院士 Hoffinaim和美國(guó)科學(xué)院院士 Ashcroft領(lǐng)導(dǎo)的康奈爾大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，美國(guó)科學(xué)院院士 Mao和美國(guó)科學(xué) 院院士 Hemley領(lǐng)導(dǎo)的卡耐基研究團(tuán)隊(duì)，英國(guó)劍橋大學(xué)，瑞士蘇黎世大 學(xué)等50多個(gè)國(guó)家的1000余個(gè)研究機(jī)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(píng)價(jià)了本項(xiàng)目成 果，并開(kāi)展了一系列后續(xù)的跟蹤和拓展研究。基于本項(xiàng)目成果，第一完 成人馬琰銘獲得意大利國(guó)際理論物理中心和Quantum Espresso基金會(huì)聯(lián) 合授予的首屆“沃爾特科恩(WalterKolm獎(jiǎng)“。1、本項(xiàng)目成果被Nature系列刊物專欄、國(guó)際學(xué)會(huì)、網(wǎng)站以及綜述 和專著專題評(píng)述、引用和介紹CALYPSO結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法得到了國(guó)際凝聚態(tài)物理和化學(xué)領(lǐng)域同行的 高度評(píng)價(jià)和廣泛介紹，被16本國(guó)際專著/系列叢書(shū)以及多家科學(xué)網(wǎng)站收 錄和亮點(diǎn)報(bào)適。如，美國(guó)紐約州立大學(xué)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)專家Zurek在Wi

10、ley出 版的系列叢書(shū)Reviews m Computational Chemistry第29卷中，通過(guò)一 整節(jié)詳細(xì)介紹和評(píng)述了 CALYPSO方法，并在晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)綜述文章 PCCP 17,2917(2015)中大篇幅引用和評(píng)價(jià)CALYPSO方法，指出：“馬及其合作者首次采用粒子群優(yōu)化算法開(kāi)發(fā)了 CALYPSO結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)程序“； 澳大利亞聯(lián)邦大學(xué)Zhang在Springer集團(tuán)岀版的專著Molecular Structures and Structural Dynamics of Prion Proteins and Prions通過(guò)單獨(dú) 一章對(duì)CALYPSO方法原理和應(yīng)用進(jìn)行專題介紹；徳國(guó)薩

11、爾大學(xué) Sprmgborg等人主編的系列叢書(shū)Chemical Modelling第12卷中，通過(guò) 獨(dú)立的一節(jié)對(duì)CALYPSO方法及其應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹；國(guó)際知?jiǎng)澋?一性原理軟件VASP官網(wǎng)和我國(guó)國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心官網(wǎng)對(duì) CALYPSO方法和軟件進(jìn)行了重點(diǎn)推介：2015年9月科學(xué)通報(bào)在第 27期推出了“CALYPSO結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法及應(yīng)用“專題，全而介紹CALYPSO 方法及英應(yīng)用的最新進(jìn)展。都有為院士主編的物理學(xué)大辭典收錄了 297個(gè)計(jì)算物理學(xué)詞條，其中“CALYPSO結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法"是由我國(guó)自主創(chuàng) 新的計(jì)算物理詞條。項(xiàng)目典型示范應(yīng)用研究成果得到國(guó)際主流科學(xué)媒體的跟蹤報(bào)道和高 度評(píng)價(jià)。

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(yù)測(cè)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(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)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(bào)道，評(píng)價(jià)本工作開(kāi)辟了“一個(gè)新的化學(xué)世界(ANew World in Chemistry)":被USA Today評(píng)價(jià)為"本周5個(gè)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(bào)道了該工作。2、本項(xiàng)目成果被大段引用和高度評(píng)價(jià)，國(guó)際同行開(kāi)展了系列跟蹤和 拓展研究CALYPSO結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法(發(fā)現(xiàn)點(diǎn)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(guó)際同行髙度評(píng)價(jià)了 CALYPSO方法的有效性和效率。如諾貝爾獎(jiǎng)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(yù)測(cè)方法：美 國(guó)科學(xué)院

14、院士 Heinley評(píng)價(jià)：CALYPSO方法可成功應(yīng)用于不同材料體 系，被證明是開(kāi)展髙壓相結(jié)構(gòu)研究的“一個(gè)強(qiáng)大工具“ (a powerful tool)： 中國(guó)科學(xué)院院士出永君評(píng)價(jià)為“高度有效”(highlyeffecHve)的方法：美 國(guó)波多黎各大學(xué)陳中方評(píng)價(jià)為具有"出色效率"(excellent efficiency)的 方法。美國(guó)卡耐基研究院著名物理學(xué)家Cohen評(píng)述：CALYPSO和 XTALOPT方法的發(fā)展使晶體基態(tài)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)變得“更加簡(jiǎn)便和高效“(much easier and more efficient)。美國(guó)加州大學(xué)著名理論化學(xué)家Miao 等人指岀：大量前期

15、研究工作證實(shí)CALYPSO是髙效可靠的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方 法，在這種'強(qiáng)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(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)Chen等人指出：CALYPSO方法被證明是一種“高 效準(zhǔn)確” (effective and accurate)且可適用于不同材料體系的晶體結(jié)構(gòu) 預(yù)測(cè)方法。項(xiàng)目典型示范研究成果(發(fā)現(xiàn)點(diǎn)三)被國(guó)際同行廣泛引用、髙度評(píng) 價(jià)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(xiàng)目成果的引領(lǐng)下，一個(gè)中、美、俄、加國(guó)際聯(lián)合團(tuán) 隊(duì)實(shí)驗(yàn)合成了本項(xiàng)目預(yù)言的XeFe3和XeNis：法國(guó)原子能和替代能源委 員會(huì)Dewa

16、ele等人也合成出了 XeNi3o Bi/Tes高壓超導(dǎo)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(lái)設(shè)計(jì)和指認(rèn)A2B5型高 壓新相的結(jié)構(gòu)。西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)的Vilaplana等人開(kāi)展了跟蹤研 究，獲得了 Bi2Te3高壓拉曼數(shù)拯，進(jìn)一步證實(shí)本項(xiàng)目研究結(jié)果，并評(píng)價(jià): Bi-Te材料的高壓晶體結(jié)構(gòu)是一個(gè)長(zhǎng)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(yù)測(cè)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(guó)加州大學(xué)Militzer等人 構(gòu)建了冰的相圖PRL 110,151102(2013),并指出：“CALYPSO預(yù)言出 了最穩(wěn)左的冰高壓

17、相結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過(guò)隨機(jī)方法無(wú)法得到”，為 CALYPSO的先進(jìn)性提供了佐證。代表性論文專著目錄序 號(hào)論文專著名稱 /刊名/作者年卷 頁(yè)碼發(fā)表時(shí) 間通訊作 者第一作 者國(guó)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(guó) 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(yè)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(yè)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(yè)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(yè)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(yè)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(yè)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(yè)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(jì)17041751馬琰銘排名：1行政職務(wù)：吉林大學(xué)物理學(xué)院院長(zhǎng)技術(shù)職稱：教授工作單位：吉林大學(xué)完成單位：吉林大學(xué)主要完成人 項(xiàng)目貢獻(xiàn)：本項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，提岀了項(xiàng)目的總體學(xué)術(shù)思想，指左了總體研究 情況 方案，和博士生一起實(shí)施了研究方案。對(duì)重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)中的第一、二、 三項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)均做出了創(chuàng)造性的突出貢獻(xiàn)，是本項(xiàng)目8篇代表性論文的責(zé) 任作者。王彥超排名:2行政職務(wù)：無(wú)技術(shù)職稱：教授工作單位：吉林大學(xué)完成單位：吉林大學(xué)項(xiàng)目貢獻(xiàn)：本項(xiàng)目的主要完成人之一，對(duì)重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)中的第一、二、 三項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)做出了創(chuàng)造性貢獻(xiàn)，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(wù)：無(wú)技術(shù)職稱：講師工作單位：吉林大學(xué)完成單位：吉林大學(xué)項(xiàng)目貢獻(xiàn)：本項(xiàng)目的主要完成人之一，對(duì)重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)中的第一、二、 三項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)做出了創(chuàng)造性貢獻(xiàn)，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(wù)：無(wú)技術(shù)職稱：教授工作單位