预测晶体结构的能力是新材料设计的关键部分。新的研究表明，数学算法可以保证仅基于组成材料的原子的知识来预测任何材料的结构。更具体地说，化学家和计算机科学家表明，可以通过“通过结合组合和连续优化来找到晶胞内所有未知原子位置”的算法在能量保证的情况下预测晶体材料的结构。

这项工作可能标志着设计应对净零排放和可持续未来挑战所需的新材料的转变。

这项工作发表在《自然》杂志上，论文“晶体结构预测的最优性保证”。”

该算法由利物浦大学化学和计算机科学系的跨学科研究团队开发，可以一次系统地评估整套可能的结构，而不是一次考虑一个结构，以加速识别正确的解决方案。

这使得识别那些可以制造的材料并预测它们的特性成为可能。这种新方法在量子计算机上得到了验证，量子计算机有可能比传统计算机更快地解决许多问题，因此可以进一步加快计算速度。

“晶体结构预测的确定性现在提供了从整个化学领域准确识别哪些材料可以合成以及它们将采用的结构的机会，”大学化学教授MattRosseinsky博士指出利物浦的，“第一次让我们有能力定义未来技术的平台。”

“有了这个新工具，”他继续说道，“我们将能够定义如何使用那些广泛可用的化学元素，并开始创造材料来替代基于稀有或有毒元素的材料，以及找到性能优于其他元素的材料。我们今天所依赖的那些，应对可持续社会的未来挑战。”

需要新材料来应对净零的挑战，从用于清洁能源的电池和太阳能吸收器，到提供低能耗计算和催化剂，为我们的可持续未来制造清洁聚合物和化学品。

通常，这种搜索是缓慢而困难的，因为原子可以通过多种方式组合来制造材料，特别是可以形成多种结构。此外，具有转化特性的材料可能具有与当今已知的结构不同的结构，预测未知的结构是一项巨大的科学挑战。

“我们设法提供了一种用于晶体结构预测的通用算法，可以应用于多种结构，”利物浦计算机科学教授PaulSpirakis博士指出。“将局部最小化与整数规划相结合，使我们能够在离散空间中使用强大的优化方法来探索连续空间中的未知原子位置。我们的目标是在发现新的有用材料的美好冒险中探索和使用更多的算法思想。化学家和计算机科学家的共同努力是这一成功的关键。”

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