异性相吸、同性相斥是自然界中的一种普遍规律，这其中又数电磁相互作用最为深入人心，比如正极与负极、南极与北极...在原子分子尺度的微观世界中，电磁力为基本粒子、分子、蛋白质等一系列基本单元之间的相互作用提供了稳定的力学系统。这些基本单元以不同的结构组合在一起形成物质，表现出多种多样的物理、化学性质，进而构建出丰富多彩的功能性。
基于点群和空间群的几何法是材料开发的重要方法论之一，如今已有近100万条结构数据收录在ICSD和CCDC数据库之中。然而，针对这些结构的功能性的认识却是远远滞后的（例如，仅收录了5000条热导率数据），这主要是因为：基于经典力学和量子力学的代数法所给出的能量表达式过于复杂，使得第一性原理计算需要大量的算力，而机器学习需要大量（且精确）的实验样本。这大大增加了功能材料开发的难度。
针对这一问题，同济大学研究团队从静电相互作用出发，基于材料的结构化学信息以简化能量表达式，提出了一种预测晶体材料力学、声学、热学性质的解析模型。相关研究发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），同济大学陈志炜副教授为第一作者，裴艳中教授为通讯作者。
解析模型的开发。基于结构化学与静电相互作用的解析势函数的示意图
对势能（U）取原子间距（r）的一阶、二阶和三阶微分，可分别得到力学、声学、热学相关性质。例如，力与原子间距的关系对应了宏观的应力应变曲线，反映了弹性模量和理论最大断裂强度。格林奈森参数为三阶微分与二阶微分的比值，结合玻尔兹曼输运方程可以得到晶格热导率。性能预测结果显示，十种力/声/热材料性能可以得到很好的预测。以上预测可由Excel快速求解。
性能的预测。势函数的微分示意图，可预测力学(a)，声学(b)和热学性能(c)，以及与测量结果的比较。
该模型可进一步用于分析结构化学因素对力、声、热性能的影响规律。以化学键键性为例，离子性和共价性之间的竞争对键强产生了额外的贡献，导致弹性模量具有极小值；加压增加了价电子轨道的重叠以及化学键的共价性，显著提高了声速；化学键中的离子性促进了长程的静电相互作用，增强了晶体的非简谐性。
键性与性能。结构化学参数对剪切模量(a和b)、声速(c和d)以及格林奈森参数(e和f)的影响规律。
该研究以原子间静电相互作用为基础，实现了快速预测目标材料的晶格动力学相关性质，揭示了影响力/声/热性质的关键结构化学因素，助力功能材料的设计与开发。
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https://doi.org/10.1093/nsr/nwae269
