展开菜单
首页 精品内容 本月促销 装机必备 Windows PDF教程 macOS软件 IOS软件 Android AI 专题
全部分类

当前位置:

首页 > 业界资讯 > 从材料设计合成,到催化剂创新、碳中和,清华王笑楠团队探索「AI+材料」前沿与落地

从材料设计合成,到催化剂创新、碳中和,清华王笑楠团队探索「AI+材料」前沿与落地

Air Explorer Pro
Air Explorer Pro

Air Explorer Pro是一款跨平台多网盘管理工具,可实现一站式完成不同网盘间文件的互传、搜索和同步等操作。任务管理和过程控制会更完整,持续下载、批量同步或需要稳定传输流程的场景会更适合它。

¥99
Windows/macOS 2026-08-22
正版软件 Windows macOS软件 Pro 文件搜索工具 Pro下载 Pro正版软件 Pro购买
立即下载

作者|清华大学王笑楠编辑|凯霞在当今科技飞速发展的时代,新材料的研究与开发已成为推动科学进步和工业革命的关键力量。从能源存储到信息技术,再到生物医药,创新材料的设计、合成及其功能表征是实现这些领域突破的基石。新材料的研究与开发已经呈现出多领域突破的趋势。在能源存储方面,研究人员致力于开发更高效、更安全的电池材料,以满足可再生能源的存储需求。同时,信息技术的进步也促使材料科学家随着人工智能(AI)技术的不断进步,在新材料研究中的应用已经开启一个全新的研究范式,成为超越传统研发模式的新质生产力。特别是在材料的

从材料设计合成,到催化剂创新、碳中和,清华王笑楠团队探索「AI+材料」前沿与落地

作者 | 清华大学王笑楠
编辑 | 凯霞

在当今科技飞速发展的时代,新材料的研究与开发已成为推动科学进步和工业革命的关键力量。从能源存储到信息技术,再到生物医药,创新材料的设计、合成及其功能表征是实现这些领域突破的基石。 新材料的研究与开发已经呈现出多领域突破的趋势。在能源存储方面,研究人员致力于开发更高效、更安全的电池材料,以满足可再生能源的存储需求。同时,信息技术的进步也促使材料科学家

随着人工智能(AI)技术的不断进步,在新材料研究中的应用已经开启一个全新的研究范式,成为超越传统研发模式的新质生产力。特别是在材料的设计、合成和表征过程中,AI 的助力大大提高了研究效率和精度。

从材料设计合成,到催化剂创新、碳中和,清华王笑楠团队探索「AI+材料」前沿与落地

“17岁上清华,27岁做博导,30岁回归清华,90后科研女神,入选2023全球学者终身学术影响力榜……”这是清华大学王笑楠老师的传奇履历。

她带领的团队,致力于 AI 加速材料开发应用,催化剂设计,新能源、低碳技术等交叉学科研究。

近年来围绕AI+能源化工环境新材料等交叉学科,开展了前沿的新能源、低碳技术和系统的研究,从多尺度系统集成的角度提高能源和资源系统的综合效率和经济性,助力双碳目标。

在AI加速材料研究应用方面,新能源系统、化工智能模型等领域有一系列高被引论文和算法软件产出。

在大模型爆炸的AI时代,“化工料GPT”正在进行中,王笑楠表示,基础模型研究是一个长期主义的事情,“让大模型落地,深入到科学与工程领域,找到适当的应用对象、落地场景,大小模型融合并进的时代已经到来。”

嵌入领域知识的提示工程促进 LLM 在科学领域应用

王笑楠团队长期重视生成式 AI,尤其是大语言模型(large language model, LLM)在科学领域的垂直应用。

目前,在多个通用领域,大语言模型已经证明了其在处理和分析大规模数据集方面的巨大潜力。然而,这些模型在面对特定垂直领域的复杂性时,往往需要更精细的调整来达到最佳效果。

提示工程(prompt engineering)正是指通过精心设计的提示或引导语句来优化和指导大型语言模型的输出,使其更好地适应和处理特定领域的问题。

近日,王笑楠团队开发了一种通过在大语言模型中整合化学领域知识来增强其在科学领域中的表现的提示工程方法。

从材料设计合成,到催化剂创新、碳中和,清华王笑楠团队探索「AI+材料」前沿与落地

图示:嵌入化学领域知识的提示工程算法流程图。

该研究首先创建了一个基准的提示工程测试数据集,包括小分子的复杂物理化学属性、药物可用性以及酶和晶体材料的功能属性,以突出其在生物学和化学领域的相关性和应用性。同时,结合若干提示工程的启发式算法(heuristics)提出了一种嵌入领域知识的提示工程方法(domain-knowledge embedded prompt engineering method),该方法在多个度量标准上优于传统的提示工程策略。

此外,团队还通过对复杂材料(如 MacMillan 催化剂、紫杉醇和锂钴氧化物)的案例研究,展示了该方法的有效性,强调了配备特定领域提示工程的大语言模型作为科学发现和创新的强大工具的潜力。

相关研究以「Integrating Chemistry Knowledge in Large Language Models via Prompt Engineering」为题,于 2024 年 4 月 22 日发布在预印平台 arXiv 上。

从材料设计合成,到催化剂创新、碳中和,清华王笑楠团队探索「AI+材料」前沿与落地

论文链接:https://arxiv.org/pdf/2404.14467

智能原子机器人探针技术,可在原子精度上高效制造量子材料

近日,王笑楠团队与新加坡国立大学吕炯、Chun Zhang 副教授共同开发的智能原子机器人探针技术,提供了这一范式变革的典型示范。通过将 AI 与探针化学技术相结合,实现了对碳基量子材料的原子级精确合成。

从材料设计合成,到催化剂创新、碳中和,清华王笑楠团队探索「AI+材料」前沿与落地

图示:可在单分子水平精确制造有机量子物质的原子机器人探针。

该工作提出了化学家直觉式原子机器人探针(CARP)的概念系统,以在单分子水平上制备和表征开壳磁性纳米石墨烯,实现其 π 电子拓扑和自旋构型的精确构建。

CARP 由一系列经过表面化学家经验和知识训练的深度神经网络驱动,可实现分子材料自主合成,并有效地从实验训练数据库中获取有价值的隐藏信息,为全面理解探针化学反应机制的理论模拟提供重要支持。

相关研究以《Intelligent synthesis of magnetic nanographenes via chemist-intuited atomic robotic probe》为题,于 2024 年 2 月 29 日发表在《Nature Synthesis》上。

从材料设计合成,到催化剂创新、碳中和,清华王笑楠团队探索「AI+材料」前沿与落地

论文链接:https://www.nature.com/articles/s44160-024-00488-7

德国马尔堡大学 Michael Gottfried 教授同期撰文《Single-molecule chemistry with a smart robot》,高度评价了此工作为 AI 和纳米科技结合的引领性实例。

「Stands out as a pioneering example, showcasing remarkable advancements in controlling molecules at the limit of single chemical bonds.」

这项研究不仅克服了传统表面辅助合成中反应选择性差、生产效率低等问题,而且通过深度神经网络转化复杂的化学过程,使得单分子操作的合成精度达到前所未有的水平。

主动学习与第一性原理计算结合,用于催化剂筛选设计

近年来,王笑楠团队建立了一系列面向化工材料设计合成与表征评价的机器学习框架,基于主动学习策略构建了高通量催化剂筛选模型,并同步优化过程参数,实现多尺度的精准设计优化。针对从原子级到宏观级的复杂数据和知识融合难的问题,建立多尺度数字孪生与低碳智联系统。

除上述在基础研究领域的突破,还发展了一系列面向国民经济主战场的重要应用。

在低碳炔烃选择性加氢催化剂设计方面,与华东理工大学段学志教授团队合作,实现了原子尺度上 Ni 活性位点结构的精准调控,不仅为目标反应路径提供了定向调控策略,而且推动了非贵金属催化剂在石油化工领域的广泛应用。

从材料设计合成,到催化剂创新、碳中和,清华王笑楠团队探索「AI+材料」前沿与落地

研究团队提出了基于贝叶斯优化的主动学习框架与 DFT 计算相结合的研究方法,以乙烯脱附和其进一步加氢的能垒差值作为选择性描述符,构建了自动化催化剂高通量筛选的工作流程,用于预测乙炔选择性加氢的高性能 Ni 基金属间化合物。

随后,从 3000 多个候选 Ni 基金属间化合物中快速筛选出 15 个高性能 Ni 基金属间化合物作为潜在的炔烃加氢催化剂,利用 DFT 计算进一步验证了 ML 模型的预测精度,最终确定了所推荐的 NiIn 催化剂为最优候选催化剂供实验进一步验证。

催化反应性能评价表明:NiIn 金属间化合物催化剂在乙炔和丙炔转化率为 100% 时,乙烯和丙烯选择性高达 97.0%,明显高于参比催化剂,展现了人工智能在催化剂设计中的巨大潜力。

相关成果以「Atomic Design of Alkyne Semihydrogenation Catalysts via Active Learning」为题在线发表在《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)上,所发现的一系列催化剂也正在工业放大转化中。

从材料设计合成,到催化剂创新、碳中和,清华王笑楠团队探索「AI+材料」前沿与落地

图示:基于贝叶斯优化的主动学习框架与DFT计算相结合的催化剂筛选设计。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.3c14495

AI+碳中和:加速高性能生物炭开发,提高 CO₂ 捕集能力

王笑楠团队长期关注 AI+碳中和的领域,在利用生物质废弃物衍生的生物炭进行二氧化碳捕获的研究方面,与多国合作者共同创建了环太平洋大学联盟可持续废弃物治理项目,发展低碳、零碳、负碳技术缓解气候变化,同时促进可持续废物管理。

针对传统生物炭合成过程既耗时又费力且精度较差的挑战,王笑楠团队设计的一种定制化主动学习策略,可指导和加速生物炭的合成,并提高其吸附二氧化碳的能力。

该框架通过学习实验数据,推荐最佳的合成参数,通过实验验证学习效果,并迭代利用实验数据进行后续模型训练和重新验证,从而建立完整闭环。

研究团队最终合成了 16 个具有特定性能的工程生物炭样本,最终轮次的二氧化碳吸收量几乎翻倍。该研究展示了一个数据驱动的工作流程,加速了高性能工程生物炭材料的开发。

相关成果以「Active Learning-Based Guided Synthesis of Engineered Biochar for CO₂ Capture」 为题发表在环境领域权威期刊《环境科学与技术》(Environmental Science & Technology)上,并被选为封面论文。

从材料设计合成,到催化剂创新、碳中和,清华王笑楠团队探索「AI+材料」前沿与落地

图示:数据驱动的 CO₂ 捕集材料闭环开发流程。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.3c10922

为科学探索开辟新途径,为实际应用提供有力支撑

该系列研究工作得到了王笑楠老师担任项目负责人、首席科学家的「新一代人工智能国家科技重大专项」等项目的支持。

相关成果不仅为科学探索开辟了新途径,也为实际应用提供了有力支撑,尤其是在促进可持续发展和应对全球性问题方面显示出极大的潜力。

随着 AI 技术的快速进步,其在智能化学工程、新型材料开发、新能源技术等领域的应用前景十分广阔,将催生更多的创新成果。

本站声明:本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系bd@zhengruan.com
作者最新文章
业界资讯 AI
相关文章 更多
精品专题 更多
装机必备

正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

Windows

正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

PDF教程

正软商城PDF教程频道提供PDF编辑、转换、合并、拆分、压缩及格式处理方法,同时介绍常用PDF软件和工具的使用技巧。

macOS软件

正软商城macOS软件专区,精选适用于Mac电脑的办公、设计、影音、效率、开发和系统工具,提供软件功能介绍、macOS兼容版本、正版授权及购买下载服务。

IOS软件

正软商城iOS软件专区,精选适用于iPhone和iPad的办公、学习、影音、设计、效率及AI应用,提供功能介绍、适用设备、系统要求和正版获取方式等信息。

AI

正软商城AI软件专区,汇集AI写作、AI绘画、AI视频、AI办公、AI编程、AI翻译、智能客服和数据分析等人工智能工具,提供功能介绍、适用平台、收费方式及正版购买信息。

Mac软件 更多
WPS Office macOS版
WPS Office macOS版

WPS Office是一款面向macOS用户的综合办公套件,将文字处理、电子表格、演示文稿、PDF工具、模板与云协作整合在同一应用中。它兼容常见Microsoft Office格式,支持Intel及Apple芯片Mac,基础功能可免费使用,

Shapr3D macOS版
Shapr3D macOS版

Shapr3D是一款面向工业设计、机械工程、建筑概念和三维打印工作流的CAD软件。Mac版采用Parasolid建模内核,支持草图约束、实体建模、工程图、可视化渲染及常见CAD格式交换,并可通过账户在多台设备之间同步项目。

REAPER macOS版
REAPER macOS版

REAPER是Cockos开发的数字音频工作站,提供多轨音频与MIDI录制、剪辑、处理、混音和母带制作工具。Mac版兼容Intel与Apple芯片,支持AU、VST、VST3、CLAP等插件格式,并提供高度可定制的工作流程。

Ableton Live macOS版
Ableton Live macOS版

Ableton Live 是面向音乐制作人与现场表演者的数字音频工作站,提供编曲视图、独具特色的现场视图、音频录制、MIDI创作、实时变速、乐器及效果器。Mac版原生支持Apple芯片,并可连接音频接口、MIDI控制器和第三方插件。

Adobe After Effects macOS版
Adobe After Effects macOS版

Adobe After Effects 是面向动态图形、影视特效与视频合成的专业创作软件。它提供关键帧动画、遮罩抠像、运动跟踪、三维空间、文字动画和表达式等工具,并可与 Premiere Pro、Photoshop、Illustrator

Adobe Audition macOS版
Adobe Audition macOS版

Adobe Audition 是面向播客、影视后期、音乐制作及内容创作者的专业音频工作站,提供波形精修、多轨录制与混音、频谱编辑、降噪修复、响度匹配和效果处理工具,并可与 Adobe Premiere 协同完成视频声音制作。

Adobe Bridge macOS版
Adobe Bridge macOS版

Adobe Bridge 是面向摄影师、设计师及内容团队的免费数字资产管理工具,可集中预览照片、视频和 Adobe 项目文件,并利用评级、标签、关键词、元数据、筛选与收藏集完成分类检索。它还支持批量重命名、格式导出、相机导入及 Camera

Adobe Illustrator macOS版
Adobe Illustrator macOS版

Adobe Illustrator 是 Adobe 推出的专业矢量图形设计软件,适合在 Mac 上制作标志、图标、插画、包装、信息图及印刷版面。它以路径和锚点构建可无损缩放的图形,并提供钢笔、形状、文字、图像描摹、渐变、画板及生成式功能。

Adobe InDesign macOS版
Adobe InDesign macOS版

Adobe InDesign 是面向印刷品与数字出版物的专业版面设计软件,可在 Mac 上制作书籍、杂志、宣传册、海报、报告及交互式文档。它提供精细的文字样式、网格、母版、长文档管理和印前输出能力。

Adobe Lightroom Classic macOS版
Adobe Lightroom Classic macOS版

Adobe Lightroom Classic 是面向桌面摄影工作流的照片管理与后期处理软件,可将原始照片保存在本地硬盘,通过目录、关键词、评分和收藏夹高效整理图库,并提供 RAW 冲印、蒙版、镜头校正、批量同步及多格式导出等功能。

Adobe Media Encoder macOS版
Adobe Media Encoder macOS版

Adobe Media Encoder 是 Adobe 推出的专业音视频编码与转码工具,可通过队列、预设和监视文件夹批量完成格式转换、代理文件创建及多平台成片输出,并与 Premiere Pro、After Effects 等软件紧密协作。

Adobe Photoshop macOS版
Adobe Photoshop macOS版

Adobe Photoshop 是面向摄影师、设计师和内容创作者的专业图像处理软件,提供图层、蒙版、选区、修复、调色、文字排版、智能对象及生成式编辑等能力。Mac 版支持 Intel 与 Apple Silicon 处理器。

WINDOWS 更多
Adobe Photoshop Windows版
Adobe Photoshop Windows版

Adobe Photoshop 是面向摄影师、设计师和内容创作者的专业图像处理工具,可在 Windows 上完成照片修饰、选区抠图、图层合成、文字排版、绘画及生成式编辑。软件采用订阅授权,由 Creative Cloud 管理安装、更新与许

Adobe InDesign Windows版
Adobe InDesign Windows版

Adobe InDesign 是面向印刷与数字出版的专业页面排版工具,可制作书籍、杂志、宣传册、海报、交互式 PDF 和电子书。它提供精细的文字样式、多页面管理、印前检查及多格式输出能力,并能与 Photoshop、Illustrator

Adobe Illustrator Windows版
Adobe Illustrator Windows版

Adobe Illustrator 是用于绘制矢量图形、插画、图标、徽标和版式的专业设计工具。它以路径和锚点为核心,作品放大后仍能保持清晰,并提供画板、文字、渐变、图像描摹及精确变换等功能,适合品牌视觉、印刷物料、数字界面和商业插画创作。

Adobe Bridge Windows版
Adobe Bridge Windows版

Adobe Bridge 是 Adobe 推出的创意资产管理工具,可集中预览、分类和查找照片、视频、PDF及多种设计文件,并支持元数据、关键词、评级、批量重命名和格式导出。它可与 Photoshop、Illustrator 等应用衔接,

Affinity Photo Windows版
Affinity Photo Windows版

Affinity Photo 是一款面向摄影师、修图师和视觉设计人员的桌面图像编辑工具,提供 RAW 显影、多图层合成、蒙版、实时滤镜、批处理和色彩管理等功能。原独立产品已停止销售,其照片编辑能力已延续至免费的新 Affinity 应用;

Adobe Lightroom Classic Windows版
Adobe Lightroom Classic Windows版

Adobe Lightroom Classic 是面向 Windows 桌面摄影工作流的照片管理与无损编辑工具,可通过目录集中整理大型图库,并完成 RAW 显影、局部蒙版、批量调整、打印和多格式导出。它强调本地文件管理与精细控制,

Figma Windows版
Figma Windows版

Figma 是面向产品设计与开发团队的云端协作平台,可在 Windows 桌面客户端中完成界面绘制、组件管理、交互原型、评论评审和开发交付。文件保存在云端,多名成员能够同步编辑并共享设计系统;官方同时提供免费 Starter 方案及按席位计

Affinity Designer Windows版
Affinity Designer Windows版

Affinity Designer 是面向矢量图形、数字插画和界面设计的专业创作工具,可在矢量、像素与导出工作区之间快速切换。它提供曲线编辑、形状构建、画板、排版、图层和专业色彩管理,并支持常见设计文件的导入及多种印刷、网页格式输出。

Capture One Pro Windows版
Capture One Pro Windows版

Capture One Pro 是面向摄影师和影像团队的专业桌面照片处理工具,提供相机定制色彩配置、RAW转换、图层与蒙版、联机拍摄、目录及会话管理等功能。它适合棚拍、人像、商业产品、婚礼和风光摄影,

Adobe Acrobat Pro Windows版
Adobe Acrobat Pro Windows版

Adobe Acrobat Pro 是面向专业 PDF 工作的综合解决方案,可在 Windows 中创建、编辑、转换、比较、整理和保护文档,并支持表单、电子签名、扫描件文字识别及敏感信息永久遮盖。订阅还包含网页、移动服务和云端协作能力,

Adobe After Effects Windows版
Adobe After Effects Windows版

Adobe After Effects 是面向动态图形、动画与影视视觉特效制作的专业工具,可完成关键帧动画、图层合成、遮罩跟踪、抠像、文字动画和二维三维元素整合。Windows 版通过 Adobe Creative Cloud 安装及更新,

DaVinci Resolve Windows版
DaVinci Resolve Windows版

DaVinci Resolve是Blackmagic Design推出的一体化影视后期工具,将素材管理、非线性剪辑、专业调色、Fusion视觉特效、Fairlight音频处理和成片交付整合在统一工程中。免费版已覆盖多数个人创作需求,

即将离开本站
您即将前往第三方网站,请确认是否继续?