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发明新材料的传统方法常常是“炒菜”式的，在缺乏理论设计的情况下依靠不断尝试来获得结果，这样的研究方法周期较长，已经不能满足人们日益增长的对高性能材料的需求。近期，中科院福建物构所郭国聪课题组在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表综述文章，提出了基于“功能基元”学术思想的材料学研究新范式。
2001年，中科院福建物构所郭国聪研究员率先提出“功能基元”学术思想，以期为新型功能材料的发明和应用提供理论指导（化学进展，2001, 13, 151-155）。“功能基元”是指对材料功能起关键作用的微观结构单元，其组成与排列决定着材料的性能。近十年来，国内外材料学界也广泛认识功能基元的重要价值，美国“材料基因组计划”、欧盟“联合技术计划”、日本“元素战略”，以及我国的一系列研究计划和重点专项，都旨在从实验和理论两方面出发，揭示材料功能背后的结构本质，并结合高通量实验和计算以及大数据挖掘技术，推动材料学研究范式的变革。
在这篇综述文章中，郭国聪团队详细阐述了基于“功能基元”的材料学研究新范式，即通过研究材料的微观结构信息（分子结构、晶体结构、电子结构等）和宏观物理化学性能，推导总结出对某项性能起主导作用的功能基元，并建立结构与性能的定量关系规律，由此形成功能基元理论，从而高效设计具有特定功能的新材料，或者预测已知材料的新性能，达到缩短新材料研发周期的目的。
功能基元研究新范式
文章系统性介绍了决定材料本征性能的六种主要微观结构类型：晶体结构、非周期性结构（也称调制结构）、磁结构、缺陷结构、局域结构、电子结构；并针对每种微观结构类型，以具有相应结构特征的典型功能材料为例，分析总结出具有一定普适性的结构与性能关系规律，为基于“功能基元”学术思想的材料设计与创制方法奠定基础。
材料结构的分类
文章中，作者以红外非线性光学（NLO）晶体材料为例，详细阐述了“功能基元”学术思想的应用过程。为解决红外NLO材料大NLO系数和高激光损伤阈值难以兼得的结构设计难题，可采用“双功能基元”的结构设计思路，即把“抗激光损伤功能基元”和“NLO活性功能基元”在分子水平上组装成无心结构，从而研制出一系列高性能红外NLO材料。
文章作者还讨论了大数据技术在材料学研究中的作用。基于可信的材料数据库，并应用机器学习方法，可以对材料的结构与性能进行预测，指导新材料的设计。但该领域还存在一些问题：
  • 在机器学习算法方面，由于网络模型是一个“黑盒子”，从其中提取出有效的结构与性能关系规律仍然富有挑战性。
  • 在数据库方面，目前与材料结构相关的大型数据库较为完善，但与材料性能相关的数据库尚有不足，这主要是由于材料性能的实验数据较难获得。为了弥补这一缺陷，一些研究人员通过理论计算（如第一性计算）获得该类数据库，然后再进行机器学习，但这样得到的预测结果的可信度在很大程度取决于理论计算本身的可靠性。为改善这一现状，郭国聪团队基于材料结构的实验数据，并结合理论计算，建立了NLO材料和催化材料的“功能基元”数据库（http://www.functional-motif.com/）。
总之，“功能基元”学术思想是中国学者在化学领域提出的、获得国际同行高度认同的原创学术思想，将在未来的材料科学研究中发挥越来越重要的作用。
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