【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，浙江大學(xué)項(xiàng)榮教授、大連理工大學(xué)高峻峰教授、蘇州實(shí)驗(yàn)室丁峰研究員、西湖大學(xué)李文彬研究員和大阪大學(xué)Kazu Suenaga教授等在過渡金屬二硫族化物納米管的可控生長(zhǎng)方面取得了突破性進(jìn)展。成果以“Preferred synthesis of armchair transition metal dichalcogenide nanotubes”(扶手椅型過渡金屬二硫族化物納米管的擇優(yōu)合成)為題于2026年8月21日正式發(fā)表在《科學(xué)》(Science)第393卷第6813期第783頁。我校物理學(xué)院趙陸能為該論文的共同第一作者(計(jì)算模擬一作)，高峻峰擔(dān)任通訊作者。
 

　　當(dāng)前，材料研究已深入原子尺度，表界面的重要性日益凸顯。表界面既是材料結(jié)構(gòu)的非連續(xù)點(diǎn)、物性的突變點(diǎn)，也是新物質(zhì)生成的生長(zhǎng)點(diǎn)。然而，表界面研究面臨復(fù)雜化學(xué)鍵合與大體系規(guī)模的雙重挑戰(zhàn)。大連理工大學(xué)物理學(xué)院高峻峰團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)了兼具密度泛函理論(DFT)精度與大規(guī)模計(jì)算能力的機(jī)器學(xué)習(xí)力場(chǎng)，在表界面的新材料預(yù)測(cè)、生長(zhǎng)和相變、重構(gòu)和催化動(dòng)力學(xué)等復(fù)雜表界面材料的研究中取得了一系列突出成果[Science (2025,2026)、Nature Materials (2026)、Naturesynthesis(2024)、NatureCommunications(2026)等]。
 

　　本研究聚焦于納米管的界面限域生長(zhǎng)機(jī)制。納米管作為典型的原子尺度材料，具有顯著的量子效應(yīng)，其物性通常依賴于手性。然而納米管手性的可控合成長(zhǎng)期以來是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。本研究中，浙江大學(xué)項(xiàng)榮教授團(tuán)隊(duì)在h-BN納米管模板的限域空間內(nèi)合成了扶手椅型構(gòu)型占比高達(dá)83%的SnS2納米管。但理論計(jì)算表明SnS2納米管的能量受手性影響極小，因此無法從熱力學(xué)角度解釋實(shí)驗(yàn)中SnS2納米管的強(qiáng)扶手椅擇優(yōu)生長(zhǎng)現(xiàn)象。針對(duì)這一難題，高峻峰團(tuán)隊(duì)基于DFT高精度數(shù)據(jù)構(gòu)建了機(jī)器學(xué)習(xí)力場(chǎng)(圖1)。
 

　　團(tuán)隊(duì)首先對(duì)不同類型的原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行廣泛采樣，使訓(xùn)練集數(shù)據(jù)覆蓋SnS2納米帶、納米管、不同Sn–S局域構(gòu)型以及BN等多種化學(xué)與結(jié)構(gòu)環(huán)境；隨后利用自主REALs機(jī)器學(xué)習(xí)模型學(xué)習(xí)原子局域環(huán)境與體系能量之間的映射關(guān)系。該模型綜合考慮原子間距離、局域幾何構(gòu)型、元素種類及范德華相互作用，能夠描述納米帶彎曲、滑移、剝離和邊緣成鍵等復(fù)雜結(jié)構(gòu)演化過程。在保持接近DFT精度的前提下，機(jī)器學(xué)習(xí)力場(chǎng)顯著降低了大規(guī)模原子模擬的計(jì)算成本，為開展與實(shí)驗(yàn)尺度相當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)時(shí)間動(dòng)力學(xué)模擬提供了基礎(chǔ)。
 

　　在此基礎(chǔ)上，高峻峰團(tuán)隊(duì)開展了包括逾10萬原子體系的機(jī)器學(xué)習(xí)分子動(dòng)力學(xué)模擬，將接近DFT精度的原子級(jí)模擬推進(jìn)至實(shí)驗(yàn)相關(guān)的空間尺度(圖2)。模擬揭示了納米帶向納米管轉(zhuǎn)化的原子尺度動(dòng)態(tài)路徑：相較于其它手性邊，鋸齒型SnS2納米帶具有能量?jī)?yōu)勢(shì)，在BNNT限域環(huán)境中能夠優(yōu)先生長(zhǎng)，并引起局部管壁形變。
 

　　當(dāng)鋸齒型SnS2納米帶生長(zhǎng)至一定規(guī)模后，伴隨BNNT的熱振動(dòng)，納米帶發(fā)生層間剝離與滑移，隨后邊緣重新連接并逐漸閉合，最終形成扶手椅型納米管。由此，高峻峰團(tuán)隊(duì)從原子尺度闡明了鋸齒型納米帶向扶手椅型納米管轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)機(jī)制，為理解實(shí)驗(yàn)中的手性角選擇性提供了理論依據(jù)。
 

　　理論模擬為實(shí)驗(yàn)識(shí)別關(guān)鍵中間結(jié)構(gòu)提供了關(guān)鍵依據(jù)(圖3)。研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)模擬得到的原子結(jié)構(gòu)生成了模擬掃描透射顯微鏡(STEM)圖像，用于指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)對(duì)關(guān)鍵轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)的識(shí)別。實(shí)驗(yàn)中的高分辨STEM觀測(cè)成功辨認(rèn)出與理論預(yù)測(cè)近乎完全一致的譜學(xué)圖像。理論與實(shí)驗(yàn)的STEM譜像在形貌及原子排布上的高度吻合，證實(shí)了鋸齒型納米帶向扶手椅型納米管轉(zhuǎn)化的動(dòng)力學(xué)路徑。理論模擬不僅解釋了實(shí)驗(yàn)中扶手椅型構(gòu)型的擇優(yōu)現(xiàn)象，也輔助實(shí)驗(yàn)識(shí)別和理解了生長(zhǎng)過程中難以直接判斷的關(guān)鍵中間結(jié)構(gòu)。通過理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)合進(jìn)一步研究，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)MoS2納米管亦具有類似的扶手椅型優(yōu)先合成機(jī)理?；谌∠蚩煽氐募{米帶，經(jīng)由限域表面組裝手性可控納米管這一動(dòng)力學(xué)機(jī)理，有望啟發(fā)其它材料納米管的手性可控合成。
 

　　本工作充分展示了機(jī)器學(xué)習(xí)模擬在材料精準(zhǔn)制備中的關(guān)鍵作用。該方法突破了傳統(tǒng)DFT計(jì)算在體系規(guī)模和模擬時(shí)間上的限制，在保持接近DFT精度的同時(shí)，在超過10萬原子的近實(shí)驗(yàn)規(guī)模體系中，實(shí)現(xiàn)了納米管扶手椅型擇優(yōu)的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模擬。機(jī)器學(xué)習(xí)模擬獲得的原子結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步生成與實(shí)驗(yàn)直接對(duì)比的STEM圖像，輔助實(shí)驗(yàn)識(shí)別關(guān)鍵中間結(jié)構(gòu)，從而形成動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究的完整閉環(huán)。這種“高精度第一性原理數(shù)據(jù)—大規(guī)模機(jī)器學(xué)習(xí)模擬—實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)”相結(jié)合的研究模式，有望突破傳統(tǒng)試錯(cuò)研究的局限，深化對(duì)材料動(dòng)力學(xué)機(jī)制的理解，并在新材料預(yù)測(cè)、精準(zhǔn)合成、結(jié)構(gòu)與物性設(shè)計(jì)等方面發(fā)揮突破性作用。
 

　　引用：【創(chuàng)新在大工】物理學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)《科學(xué)》發(fā)文：在過渡金屬二硫族化物納米管可控生長(zhǎng)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展-大連理工大學(xué)【引用時(shí)間：2026年8月26日】