利物浦大學研究人員開發的一種數學算法可能標誌著在尋求設計新材料的過程中發生了一步變化，而這些新材料是迎接淨零和可持續未來的挑戰所必需的。研究人員在《自然》雜誌上發表文章，表明一種數學算法可以保證僅僅根據構成材料的原子知識來預測任何材料的結構。

該算法由利物浦大學化學系和計算機科學系的一個跨學科研究小組開發，它一次系統地評估了整組可能的結構，而不是一次一次地考慮它們，以加速識別正確的解決方案。

這一突破使得確定那些可以製造的材料成為可能，並在許多情況下預測其特性。新方法在量子計算機上進行了演示，量子計算機有可能比經典計算機更快地解決許多問題，因此可以進一步加快計算速度。

我們的生活方式依賴於材料–“所有東西都是由某種物質構成的”，未來需要新的材料來迎接淨零的挑戰，從用於清潔能源的電池和太陽能吸收器，到提供低能耗的計算以及為我們可持續的未來製造清潔聚合物和化學品的催化劑。

這種探索是緩慢而困難的，因為原子有很多方式可以組合成材料，特別是有很多結構可以形成。此外，具有變革性質的材料很可能具有與今天已知的結構不同的結構，而預測一個一無所知的結構是一個巨大的科學挑戰。

大學化學系和材料創新工廠的Matt Rosseinsky教授說：”現在對晶體結構的預測有了確定性，就有機會從整個化學空間中準確地確定哪些材料可以被合成，以及它們將採用的結構，使我們第一次有能力確定未來技術的平台。有了這個新工具，我們將能夠確定如何使用那些廣泛存在的化學元素，並開始創造材料來取代那些基於稀缺或有毒元素的材料，以及找到比我們今天所依賴的材料更好的材料，迎接可持續社會的未來挑戰。”

該大學計算機科學系的Paul Spirakis教授說：”我們設法為晶體結構預測提供了一種通用算法，可以應用於多種結構。將局部最小化與整數編程相結合，使我們能夠利用離散空間的強優化方法探索連續空間中的未知原子位置。”

研究人員目標是在發現新的和有用的材料的美好冒險中探索和使用更多的算法思想。將化學家和計算機科學家的努力結合起來是這次成功的關鍵。

論文”Optimality Guarantees for Crystal Structure Prediction”於7月5日發表在《自然》雜誌上。