南方科技大学张文清、刘玮书团队：功能基元——材料研究范式的新视角

近日，南方科技大学张文清教授和刘玮书教授教授团队的AMR 观点文章“Functional Unit: A New Perspective on Materials Science Research Paradigms”在线发表，聚焦“功能基元”这一概念，以简化复杂的结构-性能关系，弥合传统材料研究与新型大数据驱动范式之间的鸿沟。通过强调功能基元的构型及其相互作用，推动材料科学快速发展。

关键词：功能基元、材料研究范式、结构-性能关系、人工智能、知识传承、结构基元表示

01 文章内容简介

本文围绕材料科学研究范式的演变展开，首先回顾了材料科学的发展历程中，材料的创新始终推动文明进步，研究范式也从“过程-结构-性质-性能”逐步发展到“成分-计算-结构-性能”。随着大数据和人工智能的兴起，材料研究进入数据驱动时代，但传统范式与新范式之间出现了“知识传承缺口”。材料科学家们提出的功能基元是对材料宏观功能起关键作用的微观亚结构单元，它简化了复杂的结构-性能关系，是连接传统研究与大数据AI范式的桥梁。论文进一步探讨了功能基元的尺度（微观、介观、宏观）和序构工程，分析了当前AI驱动范式在结构数字化表示、知识提取上的局限性，并强调功能基元在解决这些问题、推动高性能材料设计中的核心作用。

02 AMR：您选择该领域的原因是？

作者团队：

材料科学是推动人类文明和技术进步的基石，天然材料到人工材料，从金属到半导体，从无机材料到高分子材料，每一次材料突破都深刻改变社会。随着研究深入，传统范式难以应对复杂材料系统（如无序体系、多功能耦合材料）的设计需求，而大数据AI范式虽加速了材料发现，却存在知识“黑箱”和传承断裂的问题。我们意识到，需要一个既能保留传统材料科学核心认知（如结构-性能关联），又能适配新范式的概念——“功能基元”正是这样的突破口。它聚焦微观关键单元与宏观性能的关联，既简化了问题复杂度，又实现了知识的可解释、可传承，这正是我们深耕这一领域的核心动力。

03 AMR：您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

未来，功能基元将成为材料科学研究的核心概念之一。一方面，它能推动AI驱动的材料设计从“性能预测”向“原理提取”升级，实现从“试错”到“理性设计”的跨越；另一方面，功能基元的多尺度序构工程（从原子簇到宏观超结构）将助力开发具有突破性性能的材料，如高效热电材料、柔性电子材料、智能超材料等。更重要的是，解决“功能基元-序构”调控这一工程挑战，可能成为推动材料科学与工程整体进步的关键，为能源、信息、生物等领域提供核心材料支撑。

04 AMR：您认为该领域最值得探索的话题是？

作者团队：

最值得探索的话题包括：功能基元的普适性定义与表征：如何统一有序/无序系统中功能基元的识别标准，尤其是在高分子、高熵无序材料等复杂体系中；AI与功能基元的融合：如何构建基于功能基元的可解释机器学习模型，打破“黑箱”，实现知识的自动传承与创新；跨尺度基元-性能耦合机制：微观功能基元的相互作用如何通过介观结构传递到宏观性能，这一多尺度耦合的物理化学机制仍需深入解析。

05 AMR：您有何其他心得想与读者分享？

作者团队：

一个深刻的体会是“学科交叉的力量”。功能基元的提出融合了物理、化学、计算科学甚至哲学（如“大道至简”）的思想。例如，我们团队在研究热电材料时，发现将磁性功能基元嵌入半导体晶格，通过调控其空间分布，可同时优化电导率和热导率，这正是功能基元“微观调控-宏观性能”逻辑的生动体现。此外，中国科学家在功能基元领域的早期探索给了我们很多启发，而国家对该方向的持续资助也加速了研究进展，这说明基础研究的突破需要长期积累和传承。

作者团队简介

叶财超，南方科技大学前沿与交叉科学研究院&材料科学与工程系，研究副教授，副研究员，主要从事AI for Materials相关研究。在Natl. Sci. Rev.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、JACS、Angew. Chem.等期刊发表论文80余篇。担任J. Mate. Inf.、MGE Adv.、Mater. Futures期刊青年编委，并获得“深圳市孔雀计划海外高层次人才”、“深圳市高层次专业人才”及“江苏省优秀博士论文”等。主持国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划子课题、广东省自然科学基金等。

冯涛，南方科技大学材料科学与工程系，研究助理教授，副研究员。主要从事磁热电材料相关研究，内容涵盖拓扑材料、关联物理、低温电热输运等。在Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Next Energy等学术期刊上发表论文30余篇，申请中国发明专利6项，美国发明专利1项。担任Energy Mater. Dev.、Prog. Nat. Sci.: Mater. Int.等期刊青年编委，ACS AMI、Appl. Phys. Lett.、Vacuum等期刊审稿人，并获得“深圳市鹏城孔雀计划”特聘人才支持。

刘玮书，南方科技大学材料科学工程系，教授，国家杰出青年科学基金获得者，英国皇家化学会会士(FRSC)。博士毕业于北京科技大学，先后在美国华盛顿大学、波士顿学院、休斯顿大学、Sheetak 公司从事热电材料与器件等方面的研究。目前已在Science、PNAS、Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.等期刊发表学术论文160余篇，2019 年首届腾讯“科学探索奖”，2024年中国材料学会“学术贡献奖”。担任中国材料研究学会热电材料及应用分会理事会理事，中国体视学会材料科学分会副主任委员。

张文清，南方科技大学材料科学与工程系，讲席教授，博士研究生导师。国家杰出青年科学基金、国家自然科学二等奖获得者，美国物理学会(APS) Fellow，国家重点研发计划首席科学家等。研究内容涉及高性能热电材料设计与实现、电-热输运及电子-声子输运物理、无机/有机能源材料机制研究及AI设计等；研究方法包括第一原理计算、机器学习势函数、图神经网络、分子动力学、高通量计算等。发表Nat. Mater.、PNAS、Phys. Rev. Lett.、JACS等论文300余篇，国际会议邀请报告100余次。

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Functional Unit: A New Perspective on Materials Science Research Paradigms

Caichao Ye, Tao Feng, Weishu Liu*, and Wenqing Zhang*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.5c00090

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