网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

华人学者领衔研发材料生成模型,发现277个稳定独特新颖材料结构

0
分享至

北京大学本科校友、美国麻省理工学院博士毕业生谢天,目前是英国剑桥 Microsoft Research AI for Science 的首席研发经理。

本科和博士期间,其曾先后学习化学专业和材料科学与工程专业,后在麻省理工学院 CSAIL 实验室从事博后研究,并曾在 DeepMind 和 Google X 实习。

正是这样的“AI+Science”经历,让谢天在现单位 Microsoft Research AI for Science 工作期间结出一颗 AI 硕果。

当地时间 1 月 16 日,谢天和同事在最新发表的Nature论文中,展示了一款名为 MatterGen 的基于扩散的 AI 生成模型,该模型可以生成稳定、多样的无机材料,并且可以针对逆向材料设计的广泛下游任务进行微调。微软公司 CEO 萨提亚·纳德拉(Satya Nadella)也专门在 X 介绍了这一成果。

MatterGen 通过引入原子类型、坐标和晶格的联合扩散过程, 解决了此前方法的局限性。

与已有的同类生成模型相比,MatterGen 生成更新颖、更稳定结构的可能性提高两倍,并能将所生成材料的稳定性、独特性和新颖性(S.U.N.,stable, unique, and novel)的百分比提高一倍多,同时更加接近局部能量最小值(注:局部能量是指在特定区域内能量的分布和变化情况)。

通过针对 MatterGen 进行微调,可以生成能够满足各种属性目标约束的 S.U.N. 结构,其性能优于传统的机器学习力场方法、随机结构搜索方法和机器学习辅助筛选法。

通过重复单元来定义晶体材料

研究中,谢天等人通过重复单元(即晶胞)来定义晶体材料,这些重复单元包括原子类型 A(即化学元素)、坐标 X 和周期晶格 L。对于每个组件他们都定义了一个破坏过程(corruption process)。

然后,他们通过缩放噪声幅度,来调整笛卡尔空间中单元大小对于分数坐标扩散的影响(注:笛卡尔空间是一种二维或三维坐标系)。

原子类型会在分类空间中扩散,单个原子则会被破坏成掩蔽状态(masked state)。为了逆转破坏过程,谢天等人使用了一个分数网络,该网络可以输出原子类型、坐标和晶格的等变分数,从而绕开从数据中学习对称性的需要。

为了设计具有所需属性约束的材料,该团队引入了适配器模块(adapter modules),以用于在附加数据集上针对评分模型进行微调。适配器模块能够根据给定的属性标签改变模型的输出。研究中,谢天等人将这种方法应用于多种类型的约束,借此生成了一组微调模型。

当微调模型与无分类器引导(classifier-free guidance)加以结合,就能引导 MatterGen 的生成趋向目标属性约束(aim constraint attributes),从而能够生成新的材料,并让材料拥有目标化学成分、对称性以及磁密度等标量特性。

可生成 1000 个结构,独特结构百分比为 100%

如前所述,该团队使用 MatterGen 生成了 S.U.N. 材料结构。同时,他们还针对所生成结构的质量和多样性加以分析。

为了解释材料结构的无序效应,他们基于全新提出的有序-无序结构匹配器来匹配结构(注:无序效应是指在没有规则或随机性的系统中,由于原子或分子的无序排列和运动,导致系统表现出特定的物理性质和化学性质变化的现象)。

而为了评估稳定性,该团队针对 1024 个生成结构进行密度泛函理论计算。结果发现,MatterGen 所生成的大多数结构都是稳定的,并且非常接近密度泛函理论局部能量最小值。

当生成 1000 个结构时,独特结构的百分比为 100%,在生成 100 万个结构后仅降至 86%,而新颖性则能稳定在 68% 左右。

该团队还将 MatterGen 与之前的材料生成模型进行基准测试,借此发现 MatterGen 能以更高的速度生成 S.U.N. 材料,并且其生成结构在数量级上更接近其局部能量最小值。

在 V-Sr-O 的组合外壳上发现五种新结构

在目标化学体系(如 Li-Co-O)中找到最稳定的材料结构,对于确定评估稳定性所需的真正凸包至关重要(注:凸包是一个计算几何中的概念),这也是材料设计的主要挑战之一。

研究中,谢天等人了评估了 MatterGen 探索目标化学系统的能力。具体来说,他们针对九个三元、九个四元和九个五元化学体系进行基准评估。

对于这三组中的每一组,他们从以下类别中随机选择三个化学系统,分别是已充分探索、部分探索和未探索。

借此发现,MatterGen 生成的 S.U.N. 结构百分比高于传统方法,并能在五元系统上实现更好的性能。值得注意的是,MatterGen 在五元系统中的强大性能仅用 10240 个生成样本即可实现。

研究结果还表明,MatterGen 在 V-Sr-O 的组合外壳上发现了五种新结构,而采用其他两种传统方法分别只能发现四种和两种。

发现 277 个 S.U.N. 结构,是传统方法所能发现结构数量的两倍

在碳捕获技术、太阳能电池或半导体技术中,经常涉及到筛选具有目标磁性、电子性能和机械性能的材料。传统的基于筛选的方法一般是从一组候选者开始,然后选择具有最佳属性的候选者。然而,这种筛选方法无法探索已知材料之外的结构。

而 MatterGen 在三个单属性逆向设计任务中,均展示出能够直接生成具有目标约束的 S.U.N. 材料的能力。这些材料具有磁性、电子性能和机械性能等多种特性,并能让 MatterGen 产生不同程度的可用标记数据,从而能够用于微调模型。

以其中一个任务为例,谢天等人希望产生具有高磁密度的材料。为此,他们在 60.5 万个具有密度泛函理论磁密度标签的结构上微调模型,借此生成了目标磁密度值为 0.20˚a−3 的结构。

而在另一个任务中,他们试图寻找具有特定电子特性的材料,为此他们在 42000 个具有密度泛函理论带隙标签的结构上微调模型,然后针对目标计算带隙值为 3.0eV 的材料进行采样。

借此发现,MatterGen 能够找到多达 47 个磁密度高于 0.2˚A−3 的 S.U.N. 结构。

与此同时,MatterGen 能以几乎恒定的速度不断地发现 S.U.N. 结构。通过给定 500 个密度泛函理论属性计算的预算,该团队发现了 277 个 S.U.N. 结构,这几乎是传统方法所能发现结构数量的两倍。

从本科时埋下“AI+Science”的种子

本次论文的题目为《无机材料设计的生成模型》(A generative model for inorganic materials design),谢天是共同通讯作者。前面提到谢天的本科专业和博士专业均和材料化学有关。其个人主页介绍称,他领导了 MatterGen 的开发。

他本次能和同事成功研发 MatterGen 并在顶刊发表论文,也并非一蹴而就,而是基于他和同事的此前积累。此前,他还曾参与开发过一款名为 MatterSim 的能够加速材料特性模拟的 AI 软件。

而谢天在读博和博后期间,就已开始耕耘“AI+Science”这一领域。比如:2018 年,他开发过一款专门为材料设计打造的图神经网络 CGCNN;2021 年,他又开发一款名为 CDVAE 的材料生成模型。

2022 年,他正式加入 Microsoft Research AI for Science,目前他在这里领导着一个由科研人员、工程师和项目经理组成的跨学科团队,旨在通过用 AI 来加速新材料的设计,最终助力于储能、碳捕获和催化等领域的发展。

参考资料:

https://doi.org/10.1038/s41586-025-08628-5

https://txie.me/

https://www.linkedin.com/in/txie-93/?originalSubdomain=uk

运营/排版:何晨龙

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
周一开盘会不会大跌甚至暴跌?我直接说答案,周一开盘前听我一言

周一开盘会不会大跌甚至暴跌?我直接说答案,周一开盘前听我一言

风风顺
2026-10-25 01:00:05
哈兰德7轮9球难救主,蓝军旧将梅开二度,维拉2-1送曼城英超首败

哈兰德7轮9球难救主,蓝军旧将梅开二度,维拉2-1送曼城英超首败

钉钉陌上花开
2026-10-24 21:22:20
AI改写价值坐标 世界重识蚂蚁集团

AI改写价值坐标 世界重识蚂蚁集团

首条研究院
2026-10-23 11:16:35
高市玩砸了,连中方都没料到,东京爆发大抗议,日本人:马上下台

高市玩砸了,连中方都没料到,东京爆发大抗议,日本人:马上下台

关权教授聊经济
2026-10-24 20:51:06
扑杀200万只野猫,启用“自动杀猫机”,对家猫“宵禁”……澳大利亚为什么不肯放过野生“哈基米”?

扑杀200万只野猫,启用“自动杀猫机”,对家猫“宵禁”……澳大利亚为什么不肯放过野生“哈基米”?

新民周刊
2026-10-24 18:37:22
日流水仅78元!两女生投150万开无烟酒吧倒闭,原因:太概念化

日流水仅78元!两女生投150万开无烟酒吧倒闭,原因:太概念化

西昆仑Bruce
2026-10-24 18:08:49
南宁一病重男子转院途中被网约车司机甩在路边,经抢救无效死亡!法院判了

南宁一病重男子转院途中被网约车司机甩在路边,经抢救无效死亡!法院判了

环球网资讯
2026-10-24 13:31:22
61岁中国男子在芭提雅坠亡,房内发现手写信:愿将全部财产留给泰籍婚外伴侣

61岁中国男子在芭提雅坠亡,房内发现手写信:愿将全部财产留给泰籍婚外伴侣

大风新闻
2026-10-24 21:44:06
泽连斯基:不会为结束冲突放弃更多领土

泽连斯基:不会为结束冲突放弃更多领土

环球网资讯
2026-10-25 06:50:08
大一学生提“大水理论”刷屏全网:从初中开始每天喝2升水;记者走访:线下大瓶水销量并未暴涨

大一学生提“大水理论”刷屏全网:从初中开始每天喝2升水;记者走访:线下大瓶水销量并未暴涨

封面新闻
2026-10-23 21:53:02
赵薇公开露面,意味深长

赵薇公开露面,意味深长

难得君
2026-10-24 18:54:33
某汽车自媒体正式向尊界汽车致歉,赔偿并全网禁言

某汽车自媒体正式向尊界汽车致歉,赔偿并全网禁言

大厂财经社
2026-10-24 16:51:29
“每一次教职工大会都让我觉得,我们学院岌岌可危”:专业被砍、教师分流,转岗还得有岗位!高校教师的下一站,到底在哪?

“每一次教职工大会都让我觉得,我们学院岌岌可危”:专业被砍、教师分流,转岗还得有岗位!高校教师的下一站,到底在哪?

学术眺望
2026-10-24 22:10:03
魏莹“陪睡”案新进展:案件细节太颠覆,三方口述揭露更多内幕!

魏莹“陪睡”案新进展:案件细节太颠覆,三方口述揭露更多内幕!

莫地方
2026-10-22 10:22:36
刘涛活动遭创始人多次当众摸胸强颜欢笑,陈都灵也没逃过

刘涛活动遭创始人多次当众摸胸强颜欢笑,陈都灵也没逃过

橙星文娱
2026-10-23 18:53:11
2015年的乱伦恋情:堂嫂和堂弟,堂嫂说,他那里大得要命,让人上瘾

2015年的乱伦恋情:堂嫂和堂弟,堂嫂说,他那里大得要命,让人上瘾

法网恢恢
2026-10-22 22:38:14
八国外长“史无前例”齐聚土耳其,反对对伊朗采取军事行动

八国外长“史无前例”齐聚土耳其,反对对伊朗采取军事行动

澎湃新闻
2026-10-24 19:48:28
澳洲网红演示时给救生衣充气,被捷星和澳航禁飞

澳洲网红演示时给救生衣充气,被捷星和澳航禁飞

晚星归航2
2026-10-24 05:43:53
武契奇大选获胜是什么意思?

武契奇大选获胜是什么意思?

起喜电影
2026-10-23 09:53:42
又是懂车帝!旧视频被翻出,比起火更该被追问的,是这两年的“空白”

又是懂车帝!旧视频被翻出,比起火更该被追问的,是这两年的“空白”

迷世书童
2026-10-24 20:28:14
2026-10-25 07:52:49
DeepTech深科技 incentive-icons
DeepTech深科技
麻省理工科技评论独家合作
17401文章数 515256关注度
往期回顾 全部

科技要闻

写程序、做3D,新Kimi还有多少本事?

头条要闻

星链恢复正常服务 泽连斯基发视频:感谢美国

头条要闻

星链恢复正常服务 泽连斯基发视频:感谢美国

体育要闻

从乐透秀到总冠军再到没工作 一共要几年?

娱乐要闻

翁虹19岁女儿三次拒爱,在美国上学却“不随便”

财经要闻

叫"保障"不叫"保险":租车平台的文字游戏

汽车要闻

大众安徽与众09正式上市 双十一权益价16.99万起

态度原创

房产
时尚
教育
艺术
公开课

房产要闻

百亩大盘又 +1!攒量超 200 万㎡!江东,要燃起来了!

怕停产专场|| 35岁后越来越觉得,真正的“长期主义”是保住它

教育要闻

高考地理:城市功能区的改造

艺术要闻

中国画家油画里的东方女神美到失语!一眼沦陷,怎么看都看不够

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版