-
2019
年度国家自然科学奖提名公示材料<
/p>
项目名称
C
AL
YPSO
晶体结构预测方法与应用
提名单位
教育部
该项目紧密围绕晶体的微观结
构基础科学问题开展了深入和系统
的研究，发展了仅依据化学组分的
CALYPSO
晶体结构预测方法和软
件，为国际同行开展
结构预测研究提供了重要方法和有力工具。
CALYPSO
在<
/p>
61
个国家和地区的
700
余个科研单位得到了推广和应用，
被包括诺贝尔奖得主以及美国、加拿大和中
国院士在内的
2300
余位国
际同行采
用，
在
Nature
子刊、
PRL
、
PNAS
、
JACS
等刊物发表了
700
余
篇
SCI
论文，发表文章
数目在国际同类方法中排名第一。该项目利用
提名意见
（不超过
600
字）
CALYPSO
方法开展了典型应用示范研究，获得了若干创新
性成果。
该项目的
8
篇代表性论文发表在
Nat
Chem
、
Nat Commun
、<
/p>
PRL
等
学术刊物上，
< br>在国际上产生了重大影响，
得到学术界的高度评价和大篇
幅引用，
SCI
总他引
1704
次，
单篇最高
SCI
他引
640
次，
5
篇入选
“ESI
高被引论文
”
，
1
篇入选
“
中国百篇最具影响国际学术论文
”
。被
Science
杂志选为
Editor's
choice
，
被
Chemistry
World
、
USA
today
、
New
Scientist
和
HUFFPOST Science
等国外多家科学媒体进行亮点报道。
研究工作提
升了我国结构预测研究的整体水平。
对照国家自然科学奖
授奖条件，我部决定提名该项目为
2019
年度
自然科学奖二等奖。
<
/p>
晶体结构是理解凝聚态物质的宏观性质和开展新材料设计的基础。
从理论上准确预测晶体结构是学界的长期梦想，预测的关键是确定晶体
玻恩
-
奥本海默势能面的最低能态。
由于势能面具有高维
度和多能谷的复
杂特性，最低能态的确定是一个巨大的挑战。
1
988
年
Nature
期刊主编
Maddox
发表评论称：从理论上预测物质的结构是几乎无法完成的
任务
[Nature 335, 201
(1988)]
。
本项目提出了基于
物理约束的启发式全局优化求解势能面最低能态
的学术思想，发展了卡里普索（
CAL
YPSO
）晶体结构预测方法，解决了<
/p>
多个传统结构预测方法无法解决的科学难题，研究工作提升了我国结构
预测研究的整体水平，
推动了计算物理学的进一步发展。
主
要发现点为：
一、提出对称性分类检索策略，引入多目标群智
优化算法，发展了
仅依据化学组分的
CAL
YPSO
晶体结构预测方法，编制了自主产权的计
算软件（
详见
）
，成为国际通用方法和软件。<
/p>
二、发展了限域条件下的结构预测方法，实现了表面、层状和团
簇
等低维结构的智能预测，
形成了包含
10
个功能模块的
CAL
YPSO
新材料
设计平台。用户设计了
300
余种新材料（如半导体、拓扑和电子化合物
等材料）
< br>。
三、
利用
< br>CAL
YPSO
解决了传统结构预测方法无法解决的科学
难题：
项目简介
预言了地核环境下存
在铁
-
氙化合物，得到实验证实，为揭开
50
年的
“
氙
气的消失之谜
”
提供了新机制；
破解
了近
40
年未解的
Bi
2
Te
3
高压超导相
结构难题。
历经
12
年的发展，
CAL
YPSO
形成
6
个软件著作权，在
61
个国家
和地区的
700
余单位得到推广和应用，被诺奖得主以及美国、加拿大和
中国院士等
2300
余位同行采用。
明确标注使用
CAL
YPSO
，
用
户在
Nature
子刊、
PRL
、
PNAS
等刊物发表
700
余篇
SCI
论文，发表文章数
目在国
际同类方法中排名第一。
国际
同行积极评价
CAL
YPSO
的有效性
和效率：诺奖得主、美国康
奈尔大学
Hoffmann
评价为
“
发展很好
”<
/p>
（
well-developed
）的结
构预测方
法；美国科学院院士
Hemley
评价为结构预测研究的
“
一个强大工具
”
（
a
powerful
tool
）
；中国科学院院士田永君评价为
“
高度有效
”
（
highly
effective
）的方法。
CAL
YPSO
写入
16
本国际专著和系列丛书，并作为
计算物理
专用名词收录于《物理学大辞典》
。
CAL
YPSO
方法产生了重要的国际影响：项目成员应邀在美
国
APS
和
ACS
三月会议、
Gordon
会议等国际会议作大会或分会邀请
报告
60
余
次；意大利国际理论物理中
心和
Quantum
Espresso
基金会将首届
“Walter
Kohn”
国际奖授予马琰铭，以表彰他在计算模拟领域做出的
“
杰出贡
献
”(
outstanding contributions
)
。
本项目
8
篇代表性论文发表在
Nat
Chem
、
Nat Commun
、<
/p>
PRL
等刊
物上，
SCI
总他引
1704
次，单篇最高
SCI
他引
640
次，
5
篇入选
“
< br>ESI
高
被引论文
”
，
1
篇入选
“
中国百篇最具影响国际学术论文
”
，获教育部自然
科学一等奖。马琰铭入选
2017
、<
/p>
2018
年度科睿唯安
“
高被引科学家
”
（
Highl
y Cited
Researchers
）
。
本项目
8
篇
代表性论文发表在
Nat
Chem
、
Nat
Commun
、
PRL
等学
术刊
物上，
SCI
总他引
1704
次，单篇最高
SCI
他引
640
次，其中
5
篇论
文
SCI
他引超过
100<
/p>
次，
5
篇入选
“
ESI
高被引论文
”
< br>，
1
篇入选
“
< br>中国百
篇最具影响国际学术论文
”
。
项目成果被
Science
等杂志
进行了焦点评述，
被
USA
Today
、
Chemistry World
和
Chemical & Engineering News
等
9
家
科学媒
体专题评述，被
16
本系列丛书和
35
篇专题综述引用和介绍。诺
贝尔化学奖获得者、美国科学院院士
Hoffmann
和美国科学院院士
A
shcroft
领导的康奈尔大学研究团队，美国科学院院士
M
ao
和美国科学
院院士
Hemley<
/p>
领导的卡耐基研究团队，英国剑桥大学，瑞士苏黎世大
学等
50
多个国家的
1000
余个研究机构在
Nat
Mater
、
Nat
Chem
、
Nat
客观评价
Commun
、
PRL
、
PNAS
等
SCI
期刊上广泛引用和正面评价了本项目
成
果，并开展了一系列后续的跟踪和拓展研究。基于本项目成果，第一完
成人马琰铭获得意大利国际理论物理中心和
Quantum Espresso
基金会联
合授予的首届
“
沃尔特
·
科恩（
Walte
r Kohn
）奖
”
。
1
、本项目成果被
Natu
re
系列刊物专栏、国际学会、网站以及综述
和专著专题评述、
引用和介绍
CAL
YPSO
结构预测方法得到了国际凝聚态物理和化学领域同行的
高度评价和广泛介
绍，被
16
本国际专著
/
系列丛书以及多家科学网站收
录和亮点报道。如，美国纽约州立大学结构预测
专家
Zurek
在
Wiley
出
版的系列丛书《
Reviews in
Computational Chemistry
》第
29<
/p>
卷中，通过一
整节详细介绍和评述了
CA
L
YPSO
方法，并在晶体结构预测综述文章
< br>[PCCP 17, 2917 (2015)]
中大篇幅引用和评价
CAL
YPSO
方法，指出：
“
马
及其合作者首次采用粒子群优化算法开发了
CAL
YPSO
结构预测程序
”
；
澳大利亚联邦大学
Zhang
在
Spr
inger
集团出版的专著《
Molecular
Structures and Structural Dynamics of
Prion Proteins and Prions
》通过单独
一章对
CAL
YPSO
方法原理和
应用进行专题介绍；德国萨尔大学
Springborg
等人主
编的系列丛书
《
Chemical Modelling
》第
12
卷中，通过
独立的一节对
CAL
YPSO
方法及其
应用进行了详细的介绍；国际知名第
一
性
原
理
软
件
V
ASP
官
网
和
我
国
国
家
超
级
计
算
天
津
中
心
官
网
对
CAL
YPSO
方法和软件进行了重点推介；
2015
年
9
月《科学通报》在第
< br>27
期推出了
“CAL
YPSO
结构预测方法及应用
”
专题，
全面介绍
CAL
YPSO
方法及其应用的最新进展。都有为院士主编的《物理学大辞典》收录了
297
个计算物理学词条，
其中
“CAL
YPSO
结构预测方法
”
是
由我国自主创
新的计算物理词条。
项
目典型示范应用研究成果得到国际主流科学媒体的跟踪报道和高
度评价。如，
Xe-Fe
化合物成果被
Science
杂志选为
Editor’s
choice
，指
出：
“
晶体结
构预测发现了
XeFe
3
和
XeNi
3
化合物，表明地核内部可能是
地球上消失了的氙气的藏身之所
”
；英国化学学
会的
Chemistry World
杂
志发表了题为
“
氙气消失之谜新解
（
New
Solution
to
Missing
Xenon
Par
adox
）
”
的专题报道，评价本工作
开辟了
“
一个新的化学世界（
A
New
World in Chemistry
）
”
；被
USA Today
评价为
“
本周
5
< br>个最不可思议的发
现之一
”
；<
/p>
Live
Science
、
HUFF
POST Science
、
New
Scientist
和
CERN
CO
URIER
分别以
“
在地核中找到了消
失的氙气
”
、
“
在地核中找到了神秘
失踪的氙气
”
、
“
地球上消失的氙气藏在炽热的铁的怀抱
”
和
“
氙气藏身何
< br>处
”
为题报道了该工作。
2
、
本项目成果被大段引用和高度评价，<
/p>
国际同行开展了系列跟踪和
拓展研究
<
/p>
CAL
YPSO
结构预测方法
（发现点一和二）
的
4
篇
代表性论文
SCI
他
引
1290
次，其中
2
篇入选<
/p>
“ESI
高被引论文
”
< br>。国际同行高度评价了
CAL
YPSO
< br>方法的有效性和效率。
如
诺贝尔奖得主
< br>Hoffmann
指出：
我们
采
用的
CAL
YPSO
是
“
发展很好
”
（
well-developed
）
的结构预测方法；
美
国科学院院士
Hemley
评价：
CAL
YPSO
方法可成功应用于不同材料体
系，被证明是开展高压相结构研究的
“
一个强大工具
”
（
a powerful tool
）
；
中国科学院院士田永君评价为
“
高度有效
”
（
highly effective
）的方法；美
国波多黎各大学陈中方评价为具有
“
出色效率
”
（
excellent
efficiency
）的
方法。美国卡耐基研究院著名物理学家
Cohen
评
述
:
……
CAL
YPSO
和
XTALOPT
方法的发展使晶体基态结构预测变得
“
更加
简便和高效
”
（
much
easier and more efficient
）
。美
国加州大学著名理论化学家
Miao
等人指出：大量前期研究工
作证实
CAL
YPSO
是高效可靠的结
构预测方
法，
在这种
“
强大
”
（
powerful<
/p>
）
方法的帮助下，
我们获得研究体系的基
态
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