材料是现代工业和科技发展的基石，基础材料的性能表现直接决定了结构、功能器件服役性能。从小到几克的半导体芯片，大到几吨重的轮船发动机，都是在严格性能指标要求下的基础材料组成的器件。如何在有限的成本下，调节材料组分和工艺，使得材料发挥更大的价值成为一线研发人员的攻坚难点。
图1 材料设计多样化
SimpFine
智能研发设计软件
图2 SimpFine 介绍
SimpFine 是深势科技（DP Technology）开发的一款“材料智能设计”的科研 App。相对于传统的实验设计软件，SimpFine 具备高度的自定义灵活性与协作能力，可以充分提高研发团队的创新效能。
1. SimpFine 有助于在实验之前进行方案设计和筛选，以简单（simple）便携的使用方式，实现科学、工程领域的成分调控和优化工艺（refine）功能。
2. SimpFine 实现了数据存储、模型存储和管理功能，有助于在实验中进行作业管理和记录，实现任务调整与安排。
表1 SimpFine 功能列举
SimpFine 目前已经广泛应用到电池原材料配方设计、溶液性能调优、金属成分工艺设计、陶瓷工艺性能设计等多个领域，具备行业先进案例。下面为 SimpFine 相关先进应用案例。
应用案例1: SimpFine
辅助正极前驱体材料
逆向优化
图3 前驱体生产过程
前驱体粉末材料是电池正极材料的主要原料。三元前驱体粉末的制备过程为：首先反应釜中溶液发生共沉淀反应，产生固体沉淀后，经过煅烧等工艺得到不同颗粒大小的前驱体粉末。粉末颗粒的指标通常使用粒度、比表面积等表示，它的品控直接决定着最终电池的容量、活性寿命等重要性能。
合作实验室在前驱体材料优化项目希望能够在其他性能值不变的情况下，整体提高D50尺寸从4um区间提高到5um区间，探索大颗粒生产工艺，从而作为技术储备。
合作方初始整理了200余条造核、生长阶段的处理工艺及目标值。这些数据包含了元素含量（如镍、钴、锰的比例）、掺杂元素（如铝、镁等）、反应温度、煅烧温度、水洗方式以及其他一些工艺参数。每组数据都对应着实验结果，即粉末颗粒的D50值。
基于 SimpFine 工具，工程人员建立工艺参数与D50的模型，建立好的模型在测试集合的效果达到0.92（1为最佳）。初次探索尝试使用 SimpFine 的贝叶斯优化采样推荐出3种改进方案。经过实验发现，其中2种的D50值虽然提升非常明显，但是颗粒存在内应力，容易发生开裂。经过合作方工程人员调整，重新定制了采样空间，使得新空间实现尽量在现有工艺附近波动。结果如下图所示，经过5次迭代实验，可以看出D50尺寸逐步提高到5um区间。
图4 优化效果
这一研究成果不仅提高了正极前驱体材料的性能，还为电池制造工艺提供了宝贵的参考，真正为支撑前驱体产品研发和工艺改进效率、节省研发物料成本和人工成本，新方案成本预估低于原始成本的30%。
应用案例2: SimpFine
辅助光电钙钛矿材料
建模筛选
图5 钙钛矿建模过程
钙钛矿材料由于其独特的晶体结构，高度灵活的结构和组成，在太阳能电池领域被广泛应用，并可用于低温发光器件、激光器等领域。HOIP（混合有机-无机钙钛矿）既含有有机又含有无机成分，进一步扩大了钙钛矿的研究范围。到目前为止，其光伏转换效率已超过25%。HOIP 材料在太阳能电池中有着广泛的应用前景。钙钛矿热力学稳定性的提高是限制其发展的主要原因。
北京科技大学研究生程捷使用 SimpFine 工具，针对 HOIP 的热力学稳定性建模。以相对能量为目标，筛选潜在的 HOIP。首先，研发人员收集了文献的1346种 HOIP 的结构和性质的数据集。从结构中提取一系列新特征，并采用特征工程中的两种筛选算法，得到最优特征子集。然后测试5种机器学习算法进行建模，采用精度最高的梯度增强回归（GBR）模型进行预测，找到影响 HOIP 稳定性的关键因素。
通过钙钛矿不同位点的成分组合，构建了包含上万个组合的的探索空间，使用 GBR 模型进行能量稳性的过滤筛选，如下图所示。结果筛选得到了388个相对能量为负的 HOIP 结构。
图6 钙钛矿探索空间
最后，研究人员使用 DFT 密度泛函理论计算了这些相对能量为负的钙钛矿，最终筛选出106个相对能量为负的化合物，下图为部分实验数据的真实值vs预测值展示。工作表明，通过应用机器学习模型进行材料筛选，相对于传统方案，只需要 DFT 计算约28.4%的数据集，效率提高了约4倍。相应文章发表中。
图7 预测vs计算相对能量结果
操作页面展示
SimpFine 具有简单的操作界面，用户可以通过交互方式便捷地提交数据，从而实现各种功能。该平台提供了一系列功能区块，包括数据输入、测试参数设置、实时结果显示和报告生成，使用户能够高效地完成各类测试任务。以下图片均为使用虚拟测试数据的部分展示。
面向未来
SimpFine 软件在材料、化工和生物领域的配方工艺设计方面，已经展示出卓越的潜力和应用价值。SimpFine 软件未来在大模型自动化分析和自动化设计实验等领域具有更加广泛的应用前景，被期待彻底变革这些行业的研发模式和效率。该 app 可以通过大模型自动化分析，迅速处理和分析大量实验数据，总结符合工程人员易于理解的结果报告。此外，SimpFine 可以自动化设计实验，辅助研发人员下一步决策。
未来，SimpFine 将继续推动技术创新和应用推广，为材料、化工和生物领域的科研工作者和企业提供更加高效和精准的研发支持，助力这些领域的快速发展和创新突破。
图8 SimpFine 概念图
申请试用
https://bohrium.dp.tech/materials-db/desktop?appKey=SimpFine
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