在当今快速发展的世界中，寻找新材料已成为创新的驱动力，随着人工智能产业链加速迭代 发展，其三大核心要素算法、算力和数据亦有望迈入爆发 式增长。人工智能 (AI) 对新材料的发现有着重大的意义和帮助，本文将详细介绍人工智能是如何帮助新材料的搜索与开发的。

大数据时代，新材料开发迈入 AI 阶段

传统新材料的开发往往需要长时间实验积累，其研发时间长达 10-20 年，甚至以上，其 研发和产业化效率相对较低；并且随时新材料的逐步迭代，元素成分愈加复杂且物相变 量增多，传统实验和计算模拟基本已经到达瓶颈阶段，受掣于算法、算力和数据三大掣 肘，新材料产业化节奏有所放缓。未来随着人工智能持续突破，新材料的设计体系有望 加速迈入至大数据计算阶段，带动新材料研发节奏提速和产业化。 具体来看，材料科学发展一般可分为四大阶段： （1） 经验测试阶段：早期阶段，新材料研发需要经过长时间的反复试验和应用，开 发周期长且效率较低； （2） 模型理论阶段：在第一阶段基础上，分子动力学和热力学等模型的应用，加速 新材料理论研究走向成熟，提升研发效率； （3） 计算模拟阶段：计算机产业崛起后，计算机迭代仿真模拟计算，进一步提升研 发速度，研发效率大幅提升； （4） 人工智能大数据阶段：通过大数据方式挖掘材料本质要素，并且结合人工智能 和材料研发有效筛选可产业化的高端新材料，缩小筛选范围，并以实验佐证， 新材料发展迈入新阶段。

在人工智能大数据阶段，新材料的研发思路是建立工艺、成分、结构、性能之间的内在 联系，根据性能的需求，设计新材料成分和组织的微结构；其次，设计并优化材料成分 与工艺，以实现“材料按需设计”。

人工智能：推动新材料的搜索

人工智能正在改变我们寻找新材料的方式。传统的材料发现方法既费时又费力，研究人员要在实验室中花费无数时间来测试不同的组合。另一方面，人工智能有能力分析大量数据并在很短的时间内做出准确的预测。

通过机器学习算法和高级模拟，人工智能可以预测潜在新材料的特性并确定最有希望的候选者。这不仅节省了宝贵的时间和资源，而且使研究人员能够探索否则无法实现的大量可能性。

人工智能：“算”出未来新材料

随着新一轮信息技术的蓬勃发展，云计算、大数据、人工智能、超级计算等信息技术不断赋能各类行业，带动了行业模式的深度变革。

新材料的设计和研发越来越依赖超级计算机，材料的模拟计算已经成为超级计算主要应用领域之一。“信息技术与新材料深度融合，共同推动制造业向高端化发展。”国家超算天津中心党组书 记孟祥飞说，由于材料是一个复杂的高维多尺度耦合系统，现有的基础理论还不能准确地描述材料成分—组织/结构—性能—服役行为的构效关系，一些深层次的机理还不清楚，导致材料研发长期基于经验，依靠“试错法”推进。随着计算机的发展和计算能力的提高，计算材料学快速兴起，推动了材料研发由“经验+试错”的模式向计算驱动模式转变。计算驱动模式是现代材料研发的重要手段，可以有效提升材料研发的效率并降低研发成本。

在最近十多年，随着材料计算数据和实验数据的爆 炸式增长，以及人工智能技术的发展，数据和智能驱动的材料研发分析和性质预测已成为材料研究的新手段。”孟祥飞介绍。

在美国、欧洲等国家和地区，超级计算机在材料计算与数据库建设方面起步早，已经取得了一定成效。比如由美国能源部主导建设的在线开源材料计算与数据库平台，可有效加速新材料的筛选；美国杜克大学建立的AFLOW数据库可提供基本的材料搜索、分析等服务，并集成了材料性质预测的机器学习模块。

国内也有不少科研团队和公司正在开展高通量计算与材料数据挖掘等工作，国家超级计算天津中心研发了中国材料基因工程高通量计算平台CNMGE，该平台实现了催化等多种材料的自动高通量计算以及多元多相复合材料力学行为的多尺度计算。

材料基因工程，助力新材料研发智能化

我国亦在有效推动新材料开发设计智能化进程，国家重点研发计划“材料基因工程关键 技术与支撑平台”重点专项的实施，是实现“中国制造 2025”的重要内容。材料基因工 程是新材料领域的重大前沿技术，已作为重大战略任务在“新材料重大工程”专项中布 局。 根据工业和信息化部产业发展促进中心网，材料基因工程重点专项的主要任务是：按照 全链条创新设计、一体化组织实施的要求，本着融合发展、协同创新的基本理念，围绕 实现两个“一半”的战略目标，构建三大示范平台，研发四大关键技术，开展五类材料 的示范应用。

（1）构建三大示范平台：通过凝聚国内现有的软硬件条件，构筑可融合发展、协同创 新的高通量计算、高通量合成与表征、专用数据库三大示范平台，形成支撑材料基因工 程基础研究的基本软硬件条件和数据体系。 （2）研发四大关键技术：针对材料基因工程的关键基础和共性问题，研发多尺度集成 化高通量计算方法与计算软件、高通量材料制备技术、高通量表征与服役行为评价技术、 面向材料基因工程的材料大数据技术，为加速材料创新发展提供技术支撑。 （3）典型材料示范应用：在构建三大示范平台和突破四大关键技术的基础上，本着材 料基因工程中计算（理论）/实验（制备和表征）/数据库相互融合、协同创新的研发方式 和理念，选取具有重大战略需求或重大突破意义的高端制造业关键材料，如能源材料、 生物医用材料、稀土功能材料、催化材料、特种合金等，以及材料服役共性技术进行突 破，开展应用示范。

展望：高熵合金、纳米材料，或迎曙光

随着算法、算力和大数据体系愈加完善，先进前沿金属新材料的开发有望在两个维度迎 来突破： （1） 一是成分复杂多元的合金体系，基于每两种、每三种、甚至每四种元素之间容 易形成多种不同的物相，其组合种类繁多，且工艺（温度、时间、压力）进一 步添加多个变量因子，导致材料最终组织和性能种类甚多，传统计算模拟和实 验难以突破，因此在人工智能大时代，这类成分复杂合金的研发有望破壁，比 如高熵合金等； （2） 二是高端纳米材料，纳米材料指结构单元尺寸在 1-100 纳米之间的材料，是处 在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量 子隧道效应。它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块 固体相比显著不同。其往往用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为， 因此其研发设计理论和制造工艺都相对复杂。人工智能技术推动下，纳米材料 的研发和制造效率均有望大幅改善。

高熵合金

高熵合金通常包含 5 种以上的主要元素，各主元的原子分数在 5%~35%之间，主要包 括第 3 周期的 Mg,Al;第 4 周期的 Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn;第 5 周期的 Zr,Nb,Mo,Sn; 第 6 周期的 Hf,Ta,W,Pb,另外还有类金属元素 Si,B 等，具有高强度、高硬度、磁特性等 性能，在耐腐蚀、耐高温、耐磨性等方面具有极好的应用效果，可用于焊接材料、储氢 材料、耐蚀材料等的制造。 从传统低熵金属到高熵合金，材料综合性价比中枢整体抬升。目前来看，中熵合金和高 熵合金的交界处，是金属材料综合性价比最高区域，例如超合金、非晶合金、不锈钢、 中熵合金等更具成本效益。倘若未来高熵合金随着人工智能而加速成分工艺优化，其成 本有望显著改善，则将打开广阔新材料产业化空间。

纳米材料

根据北鲲云和中关村在线报道，纳米材料研究，一方面需要高算力，保证并行处理性能。 无论是在美国能源部所属的橡树岭国家实验室还是劳伦斯伯克利国家实验室，亦或是国 家能源研究科学计算中心（NERSC），都将旗下部署的超算中心中超过六分之一的机时 用于材料科学相关的研究；另一方面，在计算运行过程中，也会产生大量的过程文件， 若是每天算 1000 个密度泛函理论的材料计算任务，就会产生约 1TB 的数据，对存储系 统要求较高。 通过北鲲云超算平台对纳米材料进行计算模拟，可将新材料的发现速度提高 100 倍以 上，纳米新材料研发效率大幅提升。

人工智能和超材料：天作之合

超材料的魔力

超材料是经过精心设计以展现自然界所没有的特性的人造材料。这些独特的特性可以根据特定应用进行定制，使其成为寻找新材料的有吸引力的选择。从隐形斗篷到超透镜，超材料的潜在应用千差万别，引人入胜。

超材料最有前途的领域之一是电信领域，它们可用于制造更小、更高效的天线。超材料也可用于医学领域，从而能够开发用于早期疾病检测和改善患者预后的先进成像系统。

天作之合

AI 和超材料的结合堪称绝配，因为这两种技术可以互补。人工智能可以加速超材料的设计和发现过程，而超材料的独特特性可以激发新的人工智能应用。这种协同关系有可能解锁突破性的发现，并将对新材料的探索推向新的高度。

这种强大合作关系的一个例子可以在开发可以按需改变其属性的“智能”材料中看到。通过利用人工智能的力量，研究人员可以创造出能够自适应环境的材料，为从节能建筑到自适应服装等应用提供令人兴奋的可能性。

对社会的影响

在人工智能和超材料结合的推动下，寻找新材料有可能改变多个行业并改善全世界人民的生活。新材料的开发可以带来更可持续、更高效的技术，为打造更清洁、更绿色的地球做出贡献。此外，先进的超材料可以彻底改变医疗保健、电信和交通，以无数种方式改善我们的日常生活。

随着对新材料的不断探索，我们有望见证显着的突破，这些突破将重塑我们的生活方式以及与周围世界互动的方式。通过拥抱人工智能的力量和超材料的潜力，我们正在朝着更光明、更具创新性的未来迈出第一步。

文章来源： 知识大胖，未来智库，光明网