CN110299190A - 寻找玻璃结构基因的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种寻找玻璃结构基因的方法，包括以下步骤：依据玻璃体系确定结构搜索的原子种类；基于第一性原理进行结构筛选，筛选出各个所述原子之间相互作用能够形成的化合物；比较各个所述化合物的形成能和声子谱，得出稳定存在的化合物；依据所述稳定存在的化合物构建玻璃结构组成图，目标玻璃组成点临近的玻璃态化合物的微结构单元即为玻璃的结构基因。
Description
技术领域
本发明涉及玻璃材料研究领域，特别是涉及一种寻找玻璃结构基因的方法。
背景技术
功能玻璃，广泛应用于国民经济的各个领域，包括：激光武器、激光医疗、建筑构件、日常生活、国防建设、生物医药、安全防护等领域。因此，功能玻璃的快速研发对经济发展、人民生活和国家安全就显得尤其重要。然而，对于玻璃这一种发明使用了上千年的古老材料，其玻璃组成-结构-性能间的关系问题尚未完全解决，阻碍了功能玻璃的高效、低成本研发。玻璃材料的研发目前主要还是靠实验试错法，其存在周期长、成本高和效率低等问题。然而，随着“材料基因组计划”的提出，材料研发进入了一个全新的模式。
2011年，美国提出“材料基因组计划”。随后，我国也积极进行相应的布局。材料基因工程的研究方式是材料研发中的新范式，是新材料研发的“推进器”。材料基因方法采用高通量并行迭代方法替代传统试错法中的顺序迭代方法，逐步由“经验指导实验”向“理论预测和实验验证相结合”的材料研发模式转变，以实现“研发周期缩短一半、研发成本降低一半”的目标，加速新材料的“发现-开发-生产-应用”过程。材料基因工程的研究方式在热电材料、锂电池材料、合金材料、航空材料等领域中已经取得巨大的研究进展，由于玻璃材料结构的无序性和多样性，材料基因方法在玻璃材料中的应用举步维艰。材料基因的理念是借鉴生物基因的概念提出来的，那玻璃材料是否也像生物体一样具有特定的基因，怎样准确快速寻找玻璃体系的结构基因成为了该领域的重点技术难题。
基于前期的研究，我们发现玻璃的结构和对应相图中的玻璃态化合物非常相似，其玻璃的很多性能可由邻近的玻璃态化合物得到预测。基于此，我们提出玻璃对应相图中的玻璃态化合物的微结构单元就是玻璃的结构基因。对于相图数据相对完整的玻璃体系，我们可以通过大量查阅文献，搜索相图数据库来寻找到玻璃体系的结构基因。然而，该技术存在以下问题：(1)文献和相图数据库中的重要数据往往存在实验条件不统一，实验测试方法有误差等问题，对于判断寻找玻璃的结构基因非常不利。(2)对于相图数据库相对不全的玻璃体系，该方法失效。因此，对于没有相图数据的玻璃体系，怎样准确快速寻找玻璃体系的结构基因成为了该领域的重点技术难题。
发明内容
基于此，有必要提供一种寻找玻璃结构基因的方法。
本发明提供一种寻找多元玻璃体系结构基因的方法，包括以下步骤：
依据多元玻璃体系组成成分确定结构搜索的原子种类；
基于第一性原理进行结构筛选，筛选出各个所述原子之间相互作用能够形成的化合物；
比较各个化合物的形成能和声子谱，得出稳定存在的化合物；
依据所述稳定存在的化合物构建玻璃结构组成图，目标玻璃组成点临近的玻璃态化合物的微结构单元为玻璃的结构基因。
本发明提供一种寻找二元玻璃体系结构基因的方法，包括以下步骤：
基于第一性原理进行结构筛选，筛选出目标玻璃组成成分中每2种原子或3种原子之间能够形成的化合物，并计算得到所述化合物的形成能和声子谱；
分别比较所述化合物的所述形成能和声子谱，得出能够稳定存在的化合物；
以所述目标玻璃的组成原子为顶点绘制成分三角形，在所述成分三角形中标出所述稳定存在的化合物的坐标，得到二元玻璃体系成分图；
在所述二元玻璃体系成分图中找到所述目标玻璃的成分坐标，与所述成分坐标相邻的两个所述稳定存在的化合物对应的玻璃态化合物的微结构单元即为所述目标玻璃的结构基因。
在其中一个实施例中，所述基于第一性原理进行结构筛选为利用第一性原理结构筛选软件进行高通量结构筛选。
在其中一个实施例中，所述高通量结构筛选采用局域粒子群优化算法。
在其中一个实施例中，所述局域粒子群优化算法每一代计算35至50个结构，共计算20至30代。
在其中一个实施例中，所述高通量结构筛选还包括结构驰豫计算。
在其中一个实施例中，所述结构驰豫的截断能为400ev至500ev，泛函采用广义梯度泛函中的PBE泛函。
在其中一个实施例中，所述基于第一性原理进行结构筛选之前还包括，根据所述目标玻璃组成成分的原子种类，确定每种原子的个数范围。
在其中一个实施例中，所述分别比较所述化合物的所述形成能和声子谱的步骤包括：
构建所述计算得到所述化合物的形成能随组分变化的凸点图，根据所述凸点图判断所述化合物中热力学稳定的化合物；
计算所述热力学稳定的化合物的声子谱，选择声子谱中不含有虚频的化合物，即为所述稳定存在的化合物。
在其中一个实施例中，所述目标玻璃包括激光玻璃、光学玻璃、生物玻璃、核技术玻璃、安全玻璃、器皿玻璃中的一种或多种。
本发明提供一种寻找三元玻璃体系结构基因的方法，包括以下步骤：
将目标玻璃的三个组成成分中任意两个进行组合，得到三个二元组成体系，根据所述的寻找二元玻璃体系结构基因的方法分别对每个所述二元组成体系进行结构筛选，得到相应的每个所述二元组成体系中所述稳定存在的化合物；
将所述目标玻璃的所述三个组成成分进行组合，得到三元组成体系，确定所述三元组成体系中4种原子之间的比例，并基于第一性原理进行结构筛选，筛选出所述三元组成体系中4种原子能够形成的化合物；
将所述三元组成体系中4种原子能够形成的化合物的形成能和声子谱与所述二元组成体系中的所述稳定存在的化合物的形成能和声子谱进行比较，确定所述三元组成体系中4种原子能够形成的化合物中稳定存在的化合物；
以所述三元组成体系中的组成成分为顶点绘制成分三角形，在所述成分三角形中标出所有所述二元组成体系中所述稳定存在的化合物和所有所述三元组成体系中所述稳定存在的化合物的坐标，以所有的所述稳定存在的化合物的坐标为顶点，根据面积最小原则划分三角区，得到三元玻璃体系成分图；
在所述三元玻璃体系成分图中找到所述目标玻璃对应的成分坐标，所述成分坐标落在的所述三角区的三个顶点代表的化合物对应的玻璃态化合物的微结构单元即为所述目标玻璃的结构基因。
在其中一个实施例中，将所述三元组成体系中4种原子能够形成的化合物的形成能和声子谱与所述二元组成体系中的所述稳定存在的化合物的形成能和声子谱进行比较的步骤，包括：
以所述二元组成体系中的所述稳定存在的化合物为组分的端点构建所述三元组成体系中4种原子能够形成的化合物的形成能随组分变化的凸点图，根据所述凸点图判断所述热力学稳定的化合物；
计算所述热力学稳定的化合物的声子谱，选择声子谱中不含有虚频的化合物，即为所述稳定存在的化合物。
在其中一个实施例中，当所述三元组成体系中4种原子能够形成的化合物中没有所述稳定存在的化合物时，在所述成分三角形中仅标出所有所述二元组成体系中所述稳定存在的化合物。
在其中一个实施例中，当所述三元组成体系中4种原子能够形成的化合物中存在所述稳定存在的化合物时，在所述成分三角形中要标出所有所述二元组成体系中所述稳定存在的化合物和所有所述三元组成体系中所述稳定存在的化合物。
与现有方法相比，本发明具有如下优点：
(1)目前通过搜索相图数据确定玻璃基因方法存在以下两大问题：a、文献和相图数据库中的重要数据往往存在实验条件不统一，实验测试方法有误差等问题，对于判断寻找玻璃的结构基因非常不利。b、对于相图数据库相对不全的玻璃体系，搜索相图数据确定玻璃基因方法失效。本发明依据玻璃的近程有序，创新性地首次提出可从原子层面出发寻找玻璃结构基因的方法。本发明首次提出利用第一性原理结构筛选将原子-化合物-玻璃三者结合起来的研究方法，能有效解决相图数据不全的玻璃体系的问题，是一种快速、高效破解玻璃结构基因的方法，对玻璃组成-结构-性能预测意义重大。
(2)本发明将生物基因理念和材料基因工程的研究方式应用于功能玻璃研究，快速寻找到玻璃体系结构基因，依据玻璃体系结构基因的结构和性质，能深层次认识到玻璃的内部结构，破解玻璃结构，有利于功能玻璃的按需设计，对玻璃的研发有重要意义。
(3)在玻璃体系成分图中，特定的玻璃体系组成点对应特定的玻璃体系结构基因，对比研究玻璃体系结构基因即可定量研究目标玻璃结构与性能。
(4)本发明提供的方法还可大大扩展化合物的结构性能数据库，有利于功能玻璃的快速低成本研发。
附图说明
图1为本发明实施例1的B2O3-Li2O二元玻璃体系稳定化合物相对形成能随组分变化的凸点图；
图2为本发明实施例1的B2O3-Li2O二元玻璃体系成分图；
图3为本发明实施例2的Li2O-MgO-B2O3三元玻璃体系成分图；
图4为本发明实施例3的BaO-CaO-P2O5三元玻璃体系成分图；
图5为本发明实施例4的BaO-Ga2O3-GeO2三元玻璃体系成分图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种寻找多元玻璃体系结构基因的方法，包括以下步骤：
S01，依据多元玻璃体系组成成分确定结构搜索的原子种类；
S02，基于第一性原理进行结构筛选，筛选出各个所述原子之间相互作用能够形成的化合物；
S03，比较各个化合物的形成能和声子谱，得出稳定存在的化合物；
S04，依据所述稳定存在的化合物构建玻璃结构组成图，目标玻璃组成点临近的玻璃态化合物的微结构单元即为玻璃的结构基因。
本发明提供的寻找多元玻璃体系结构基因的方法快速、高效，依据玻璃的近程有序特点，创新性的提出利用第一性原理结构筛选将原子-化合物-玻璃三者结合起来寻找结构基因，即从原子层面出发寻找玻璃结构基因的方法，基于结构基因能够更深入的认识玻璃结构，为深层次预测玻璃结构性能以及对功能玻璃的快速、低成本、高效研发奠定了基础，对玻璃组成-结构-性能预测意义重大。
本发明中，所述多元玻璃体系由多个氧化物组成，所述组成成分为组成所述多元玻璃体系的氧化物，所述二元玻璃体系包括两个组成成分，所述三元玻璃体系包括三个组成成分，例如Li2O-B2O3二元玻璃体系组成成分为Li2O、B2O3，BaO-Ga2O3-GeO2三元玻璃体系组成成分为BaO、Ga2O3、GeO2。
本发明中，所述化合物包括多个不同的化合物，所述不同的化合物包括原子组成不同的化合物，还包括原子组成相同但结构不同的化合物。
本发明实施例提供一种寻找二元玻璃体系结构基因的方法，包括以下步骤：
S10，基于第一性原理进行结构筛选，筛选出目标玻璃组成成分中每2种原子或3种原子之间能够形成的化合物，并计算得到所述化合物的形成能和声子谱；
S20，分别比较所述化合物的所述形成能和声子谱，得出能够稳定存在的化合物；
S30，以所述目标玻璃的组成原子为顶点绘制成分三角形，在所述成分三角形中标出所述稳定存在的化合物的坐标，得到二元玻璃体系成分图；
S40，在所述二元玻璃体系成分图中找到所述目标玻璃的成分坐标，与所述成分坐标相邻的两个所述稳定存在的化合物对应的玻璃态化合物的微结构单元即为所述目标玻璃的结构基因。
在一实施例中，所述基于第一性原理进行结构筛选为利用第一性原理结构筛选软件进行高通量结构筛选，例如CALYPSO、VASP。
在一实施例中，所述高通量结构筛选采用局域粒子群优化算法，优选的，每一代计算35至50个结构，共计算20至30代。
在一实施例中，所述高通量结构筛选还包括结构驰豫计算，优选的，结构驰豫的截断能为400ev至500ev，泛函采用广义梯度泛函(GGA)中的PBE泛函。
在一实施例中，所述基于第一性原理进行结构筛选之前还包括，步骤S00，根据所述目标玻璃组成成分的原子种类，确定每种原子的个数范围。
在一实施例中，步骤S20中所述比较各个化合物的所述形成能和声子谱的步骤包括：
S22，构建所述计算得到所述化合物的形成能随组分变化的凸点图，根据所述凸点图判断所述化合物中热力学稳定的化合物；
S24，计算所述热力学稳定的化合物的声子谱，选择声子谱中不含有虚频的化合物(即动力学稳定的化合物)，即为所述稳定存在的化合物。
所述比较各个化合物的所述形成能和声子谱步骤，包括不同化合物之间形成能和声子谱的比较，还包括同种化合物不同结构之间的形成能和声子谱的比较。
步骤S30中，所述成分三角形为根据多元相图的成分表示方法绘制的三角形，也可称为浓度三角形。过所述成分三角形中任意一点分别作各边的平行线，平行线在所述成分三角形各边截得的线段分别表示该点各组元的浓度或比例。所述坐标为特定组成的化合物在所述成分三角形中对应的点。步骤S40中，所述成分坐标即为目标玻璃的组成成分在所述成分三角形中对应的点。
在一实施例中，所述目标玻璃包括激光玻璃、光学玻璃、生物玻璃、核技术玻璃、安全玻璃、器皿玻璃中的一种或多种。
本发明实施例还提供一种寻找三元玻璃体系结构基因的方法，包括以下步骤：
S100，将目标玻璃的三个组成成分中任意两个进行组合，得到三个二元组成体系，根据所述的寻找二元玻璃体系结构基因的方法分别对每个所述二元组成体系进行结构筛选，得到相应的每个所述二元组成体系中所述稳定存在的化合物；
S200，将所述目标玻璃的所述三个组成成分进行组合，得到三元组成体系，确定所述三元组成体系中4种原子之间的比例，并基于第一性原理进行结构筛选，筛选出所述三元组成体系中4种原子能够形成的化合物；
S300，将所述三元组成体系中4种原子能够形成的化合物的形成能和声子谱与所述二元组成体系中的所述稳定存在的化合物的形成能和声子谱进行比较，确定所述三元组成体系中4种原子能够形成的化合物中稳定存在的化合物；
S400，以所述三元组成体系中的组成成分为顶点绘制成分三角形，在所述成分三角形中标出所有所述二元组成体系中所述稳定存在的化合物和所有所述三元组成体系中所述稳定存在的化合物的坐标，以所有的所述稳定存在的化合物的坐标为顶点，根据面积最小原则划分三角区，得到三元玻璃体系成分图；
S500，在所述三元玻璃体系成分图中找到所述目标玻璃对应的成分坐标，所述成分坐标落在的所述三角区的三个顶点代表的化合物对应的玻璃态化合物的微结构单元即为所述目标玻璃的结构基因。
在一实施例中，步骤S300，将所述三元组成体系中4种原子能够形成的化合物的形成能和声子谱与所述二元组成体系中的所述稳定存在的化合物的形成能和声子谱进行比较的步骤，包括：
S320，以所述二元组成体系中的所述稳定存在的化合物为组分的端点构建所述三元组成体系中4种原子能够形成的化合物的形成能随组分变化的凸点图，根据所述凸点图判断所述热力学稳定的化合物；
S340，计算所述热力学稳定的化合物的声子谱，选择声子谱中不含有虚频的化合物，即为所述稳定存在的化合物。
在一实施例中，所述三元组成体系中4种原子能够形成的化合物中没有所述稳定存在的化合物，步骤S400，所述成分三角形中仅标出所有所述二元组成体系中所述稳定存在的化合物。
在一实施例中，所述三元组成体系中4种原子能够形成的化合物中含有所述稳定存在的化合物，步骤S400，所述成分三角形中要标出所有所述二元组成体系中所述稳定存在的化合物和所有所述三元组成体系中所述稳定存在的化合物。
本发明实施例提供的方法，借鉴生物基因理念和材料基因工程研究方式寻找玻璃体系结构基因，采用高通量并行迭代方法替代传统试错法中的顺序迭代方法，逐步由“经验指导实验”向“理论预测和实验验证相结合”的材料研发模式转变，以实现“研发周期缩短一半、研发成本降低一半”的目标，加速新材料的“发现-开发-生产-应用”过程。
所述二元玻璃体系成分图和所述三元玻璃体系成分图，反映了玻璃的真实组成及其结构，玻璃组成点能在该图中一一对应，在所述二元玻璃体系成分图和所述三元玻璃体系成分图中，目标玻璃的所述成分坐标相邻的两个所述稳定存在的化合物或所述成分坐标落在的所述三角区的三个顶点代表的化合物对应的玻璃态化合物的微结构单元即为该目标玻璃的结构基因。
所述玻璃体系的结构基因包含了目标玻璃相同的多面体配位情况，反映了玻璃的近程结构，并决定了玻璃的性质。玻璃体系的组成点能在所述玻璃体系成分图中一一对应。
实施例1二元体系
目标玻璃为：41mol％Li2O-59mol％B2O3
设置B、Li、O中每个原子的搜索个数范围，B原子个数为0-8，Li原子个数为0-3，O原子个数为1-13；
根据原子个数比，在第一性原理结构筛选软件CALYPSO进行结构筛选，结构演化采用局域粒子群优化算法，每一代产生35个结构；并通过第一性原理计算软件VASP对筛选出的结构进行结构驰豫，截断能为600ev，泛函采用广义梯度泛函(GGA)中的PBE泛函；得到能够形成的化合物：B2O3、BO6、B6O、LiB3O5、Li3B5O9、Li2B4O7、LiBO2、Li3BO3、Li2B8O13、LiO、Li2O、Li3O，以及这些化合物的形成能。
基于所述化合物的形成能构建形成能随组分变化的凸点图，凸点图如图1，根据所述凸点图判断所述化合物中热力学稳定的化合物为Li3B5O9、B2O3、LiB3O5、Li2B4O7、LiBO2、Li3BO3、Li2O；
计算所述热力学稳定的化合物的声子谱，选择声子谱中不含有虚频的化合物，即为所述稳定存在的化合物，包括B2O3、LiB3O5、Li2B4O7、LiBO2、Li3BO3、Li2O；
以B、Li、O三个原子为顶点绘制成分三角形，在成分三角形中标出B2O3、LiB3O5、Li2B4O7、LiBO2、Li3BO3、Li2O的坐标，得到B2O3-Li2O二元玻璃体系成分图，如图2所示；
在图2中找到目标玻璃的成分坐标，该目标玻璃坐标落在图2中的LiBO2和Li2B4O7之间，则41mol％Li2O-59mol％B2O3组成的玻璃的结构基因就是玻璃态的LiBO2和Li2B4O7。
实施例2三元体系
目标玻璃：10mol％Li2O-10mol％MgO-80mol％B2O3
将组成成分Li2O、MgO、B2O3中的任意两个进行组合，得到MgO-B2O3二元组成体系、Li2O-B2O3二元组成体系和Li2O-MgO二元组成体系；按照步骤S00-S60分别得到MgO-B2O3二元组成体系中所述稳定存在的化合物，包括MgO、2MgO·B2O3、3MgO·B2O3、B2O3；Li2O-B2O3二元组成体系中所述稳定存在的化合物，包括B2O3、Li2O·2B2O3、Li2O·B2O3、Li2O；Li2O-MgO二元组成体系中所述稳定的化合物包括Li2O和MgO；
将组成成分Li2O、MgO、B2O3进行组合，得到Li2O-MgO-B2O3三元组成体系，该三元组成体系的4种原子搜索原子个数范围为Li：1-5、Mg:1-5、B:1-5、O:1-10，并利用第一性原理结构筛选软件和计算软件进行高通量结构筛选，筛选出Li、Mg、B、O这4种原子能够形成的化合物，其中存在的化合物包括Li2BMgO3、LiBMgO3；并计算其形成能和声子谱。
将Li、Mg、B、O这4种原子能够形成的化合物的形成能和声子谱与MgO-B2O3二元组成体系的成分图中的稳定存在的化合物、Li2O-B2O3二元组成体系的成分图中稳定存在的化合物的形成能和声子谱进行比较，根据比较结果，Li、Mg、B、O这4种原子能够形成的化合物中LiBMgO3能够稳定存在；
以Li2O、MgO和B2O3为顶点绘制成分三角形，在成分三角形中标出所有能够稳定存在的化合物的坐标(A:B2O3、B:Li2O·2B2O3、C:Li2O·B2O3、D:Li2O、E:MgO、F:3MgO·B2O3、G:2MgO·B2O3、H:LiBMgO3)，以A、B、C、D、E、F、G、H为顶点，根据面积最小原则划分三角区，得到三元玻璃体系成分图，如图3。
在图3中找到目标玻璃的成分坐标，该坐标落在△ABG内，目标玻璃的结构基因为玻璃态的B2O3、Li2O·2B2O3和2MgO·B2O3。
实施例3三元体系
目标玻璃：10mol％BaO-10mol％CaO-80mol％P2O5
将组成成分BaO、CaO和P2O5中的任意两个进行组合，得到BaO-CaO二元组成体系、BaO-P2O5二元组成体系、CaO-P2O5二元组成体系；按照步骤S00-S60分别得到BaO-CaO二元组成体系中所述稳定存在的化合物，包括BaO、_CaO；BaO-P2O5二元组成体系中所述稳定存在的化合物，包括BaO、BaO·P2O5、2BaO·P2O5、P2O5；CaO-P2O5二元组成体系中所述稳定存在的化合物，包括CaO、CaO·P2O5、CaO·2P2O5、P2O5；
将组成成分BaO、CaO和P2O5进行组合，得到BaO-CaO-P2O5三元组成体系，该三元组成体系的4种原子搜索原子个数范围为Ba：1-5、Ca:1-5、P:1-5、O:1-10，并利用第一性原理结构筛选软件和计算软件进行高通量结构筛选，筛选出Ba、Ca、P、O这4种原子能够形成的化合物并计算其形成能和声子谱。
将Ba、Ca、P、O这4种原子能够形成的化合物的形成能和声子谱与BaO-CaO二元组成体系的成分图中的稳定存在的化合物、BaO-P2O5二元组成体系的成分图中稳定存在的化合物、CaO-P2O5二元组成体系的成分图中稳定存在的化合物的形成能和声子谱进行比较，根据比较结果，Ba、Ca、P、O这4种原子能够形成的化合物中没有能够稳定存在的化合物；
以BaO、CaO和P2O5为顶点绘制成分三角形，在成分三角形中标出所有能够稳定存在的化合物的坐标(A:P2O5、B:BaO·P2O5、C:2BaO·P2O5、D:CaO·P2O5、E:CaO·2P2O5)，以A、B、C、D、E为顶点，根据面积最小原则划分三角区，得到三元玻璃体系成分图，如图4。
在图4中找到目标玻璃的成分坐标，该坐标落在△ABE内，目标玻璃的结构基因为玻璃态的P2O5、BaO·P2O5和CaO·2P2O5。
实施例4三元体系
目标玻璃：27mol％BaO-13mol％Ga2O3-60mol％GeO2
将组成成分BaO、Ga2O3和GeO2中的任意两个进行组合，得到BaO-Ga2O3二元组成体系、BaO-GeO2二元组成体系、Ga2O3-GeO2二元组成体系；按照步骤S00-S60分别得到BaO-Ga2O3二元组成体系中所述稳定存在的化合物，包括BaO、BaO·Ga2O3、Ga2O3；BaO-GeO2二元组成体系中所述稳定存在的化合物，包括BaO、BaO·4GeO2、BaO·GeO2、2BaO·GeO2、GeO2；Ga2O3-GeO2二元组成体系中所述稳定存在的化合物，包括Ga2O3、Ga2O3·GeO2、GeO2_；
将组成成分BaO、Ga2O3和GeO2进行组合，得到BaO-Ga2O3-GeO2三元组成体系，该三元组成体系的4种原子搜索原子个数范围为Ba:1-5、Ga:1-5、Ge:1-6、O:1-15，并利用第一性原理结构筛选软件和计算软件进行高通量结构筛选，筛选出Ba、Ga、Ge、O这4种原子能够形成的化合物并计算其形成能和声子谱。
将Ba、Ga、Ge、O这4种原子能够形成的化合物的形成能和声子谱与BaO-Ga2O3二元组成体系的成分图中的稳定存在的化合物、BaO-GeO2二元组成体系的成分图中稳定存在的化合物、Ga2O3-GeO2二元组成体系的成分图中稳定存在的化合物的形成能和声子谱进行比较，根据比较结果，Ba、Ga、Ge、O这4种原子能够形成的化合物中能够稳定存在的化合物包括BaGa2Ge2O8和Ba3Ga2Ge4O14；
以BaO、Ga2O3和GeO2为顶点绘制成分三角形，在成分三角形中标出所有能够稳定存在的化合物的坐标(A:GeO2、B:BaO·4GeO2、C:BaO·GeO2、D:2BaO·GeO2、E:BaO、F:BaO·Ga2O3、G:Ga2O3、H:Ga2O3·GeO2、I:BaGa2Ge2O8、J:Ba3Ga2Ge4O14)，以A、B、C、D、E、F、G、H、I、J为顶点，根据面积最小原则划分三角区，得到三元玻璃体系成分图，如图5。
在图5中找到目标玻璃的成分坐标，该坐标落在△BIJ内，目标玻璃的结构基因为玻璃态的BaO·4GeO2、BaGa2Ge2O8和Ba3Ga2Ge4O14。
如实施例1和实施例2从二元推广到三元，依据相似的步骤，本发明提供的方法还可推广至四元、五元甚至更多组分玻璃体系。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (14)
1.一种寻找多元玻璃体系结构基因的方法，其特征在于，包括以下步骤：
依据多元玻璃体系组成成分确定结构搜索的原子种类；
基于第一性原理进行结构筛选，筛选出各个所述原子之间相互作用能够形成的化合物；
比较各个化合物的形成能和声子谱，得出稳定存在的化合物；
依据所述稳定存在的化合物构建玻璃结构组成图，目标玻璃组成点临近的玻璃态化合物的微结构单元即为玻璃的结构基因。
2.一种寻找二元玻璃体系结构基因的方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于第一性原理进行结构筛选，筛选出目标玻璃组成成分中各种原子之间能够形成的化合物，并计算得到所述化合物的形成能和声子谱；
分别比较所述化合物的所述形成能和声子谱，得出能够稳定存在的化合物；
以所述目标玻璃的组成原子为顶点绘制成分三角形，在所述成分三角形中标出所述稳定存在的化合物的坐标，得到二元玻璃体系成分图；
在所述二元玻璃体系成分图中找到所述目标玻璃的成分坐标，与所述成分坐标相邻的两个所述稳定存在的化合物对应的玻璃态化合物的微结构单元即为所述目标玻璃的结构基因。
3.根据权利要求2所述的寻找二元玻璃体系结构基因的方法，其特征在于，所述基于第一性原理进行结构筛选为利用第一性原理结构筛选软件进行高通量结构筛选。
4.根据权利要求3所述的寻找二元玻璃体系结构基因的方法，其特征在于，所述高通量结构筛选采用局域粒子群优化算法。
5.根据权利要求4所述的寻找二元玻璃体系结构基因的方法，其特征在于,所述局域粒子群优化算法每一代计算35至50个结构，共计算20至30代。
6.根据权利要求3所述的寻找二元玻璃体系结构基因的方法，其特征在于，所述高通量结构筛选还包括结构驰豫计算。
7.根据权利要求6所述的寻找二元玻璃体系结构基因的方法，其特征在于，所述结构驰豫的截断能为400ev至500ev，泛函采用广义梯度泛函中的PBE泛函。
8.根据权利要求2所述的寻找二元玻璃体系结构基因的方法，其特征在于，所述基于第一性原理进行结构筛选之前还包括，根据所述目标玻璃组成成分的原子种类，确定每种原子结构筛选的个数范围。
9.根据权利要求2所述的寻找二元玻璃体系结构基因的方法，其特征在于，所述分别比较所述化合物的所述形成能和声子谱的步骤包括：
构建所述计算得到所述化合物的形成能随组分变化的凸点图，根据所述凸点图判断所述化合物中热力学稳定的化合物；
计算所述热力学稳定的化合物的声子谱，选择声子谱中不含有虚频的化合物，即为所述稳定存在的化合物。
10.根据权利要求2所述的寻找二元玻璃体系结构基因的方法，其特征在于，所述目标玻璃包括激光玻璃、光学玻璃、生物玻璃、核技术玻璃、安全玻璃、器皿玻璃中的一种或多种。
11.一种寻找三元玻璃体系结构基因的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将目标玻璃的三个组成成分中任意两个进行组合，得到三个二元组成体系，根据权利要求2-10任一项所述的寻找二元玻璃体系结构基因的方法分别对每个所述二元组成体系进行结构筛选，得到相应的每个所述二元组成体系中所述稳定存在的化合物；
将所述目标玻璃的所述三个组成成分进行组合，得到三元组成体系，确定所述三元组成体系中各种原子之间的比例，并基于第一性原理进行结构筛选，筛选出所述三元组成体系中各原子能够形成的化合物；
将所述三元组成体系中各原子能够形成的化合物的形成能和声子谱与所述二元组成体系中的所述稳定存在的化合物的形成能和声子谱进行比较，确定所述三元组成体系中各种原子能够形成的化合物中稳定存在的化合物；
以所述三元组成体系中的组成成分为顶点绘制成分三角形，在所述成分三角形中标出所有所述二元组成体系中所述稳定存在的化合物和所有所述三元组成体系中所述稳定存在的化合物的坐标，以所有的所述稳定存在的化合物的坐标为顶点，根据面积最小原则划分三角区，得到三元玻璃体系成分图；
在所述三元玻璃体系成分图中找到所述目标玻璃对应的成分坐标，所述成分坐标落在的所述三角区的三个顶点代表的化合物对应的玻璃态化合物的微结构单元即为所述目标玻璃的结构基因。
12.根据权利要求11所述的寻找三元玻璃体系结构基因的方法，其特征在于，将所述三元组成体系中各种原子能够形成的化合物的形成能和声子谱与所述二元组成体系中的所述稳定存在的化合物的形成能和声子谱进行比较的步骤，包括：
以所述二元组成体系中的所述稳定存在的化合物为组分的端点构建所述三元组成体系中各种原子能够形成的化合物的形成能随组分变化的凸点图，根据所述凸点图判断所述热力学稳定的化合物；
计算所述热力学稳定的化合物的声子谱，选择声子谱中不含有虚频的化合物，即为所述稳定存在的化合物。
13.根据权利要求11所述的寻找三元玻璃体系结构基因的方法，其特征在于，当所述三元组成体系中各种原子能够形成的化合物中没有所述稳定存在的化合物时，在所述成分三角形中仅标出所有所述二元组成体系中所述稳定存在的化合物。
14.根据权利要求11所述的寻找三元玻璃体系结构基因的方法，其特征在于，当所述三元组成体系中各种原子能够形成的化合物中存在所述稳定存在的化合物时，在所述成分三角形中要标出所有所述二元组成体系中所述稳定存在的化合物和所有所述三元组成体系中所述稳定存在的化合物。
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