西交大團(tuán)隊(duì)用AI設(shè)計(jì)出碳材料：LLM+機(jī)器學(xué)習(xí)勢驅(qū)動(dòng)發(fā)現(xiàn)新型碳相

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如果把材料科學(xué)比作一片宇宙，那么碳就是最復(fù)雜、也最難窮盡的一片星系。它可以以 sp、sp2、sp3 三種雜化方式自由組合，理論上能形成近乎無限的結(jié)構(gòu)空間——但人類真正發(fā)現(xiàn)的，只是極小一部分。

來自西安交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，試圖改變這一點(diǎn)：他們構(gòu)建了一套以大語言模型（LLM）為核心的閉環(huán)框架，讓 AI 不再只是「篩選結(jié)構(gòu)」，而是主動(dòng)「生成新材料」，并在物理約束下快速驗(yàn)證，從而系統(tǒng)性地拓展碳同素異形體的邊界。

在這篇于 2026 年 3 月 9 日發(fā)布在《Applied Physics Letters》上的「LLM-driven discovery for carbon allotropes with bond-network entropy」里，研究團(tuán)隊(duì)展示了他們所發(fā)現(xiàn)的多種新型碳材料，包括：硬度超過金剛石的「C16_3」超硬相、具有極端熱導(dǎo)各向異性的「炔-金剛石 C12」和「炔-六方金剛石 C8」。

論文鏈接：https://pubs.aip.org/aip/apl/article-abstract/128/10/102202/3382659/LLM-driven-discovery-for-carbon-allotropes-with

CrystaLLM的新邏輯

傳統(tǒng)碳結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)依賴第一性原理計(jì)算（如DFT）與結(jié)構(gòu)枚舉，但這也意味著需要計(jì)算的可能的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)量是天文數(shù)字。在碳體系中，不同雜化態(tài)的組合（sp / sp2 / sp3）可以形成從一維鏈（carbyne）到三維晶體（金剛石）的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但絕大多數(shù)仍停留在理論可能性中。

近年來，AI 的快速發(fā)展為解決這一問題提供了相當(dāng)強(qiáng)勁的助力。2024 年，英國一組研究人員發(fā)布了 CrystaLLM：一種大型語言模型（LLM），能夠利用文本模擬晶體結(jié)構(gòu)。而在本次研究中，研究團(tuán)隊(duì)引入了一個(gè)新框架，利用CrystaLLM 生成候選碳同素異形體，并快速測試其穩(wěn)定性和性質(zhì)。

圖 1：閉環(huán) AI 驅(qū)動(dòng)材料發(fā)現(xiàn)工作流程的示意圖，整合了兩個(gè)協(xié)同的主動(dòng)學(xué)習(xí)循環(huán)。

研究團(tuán)隊(duì)所提出的是一套雙循環(huán)主動(dòng)學(xué)習(xí)框架。

• 第一循環(huán)（生成）：利用 CrystaLLM產(chǎn)生候選碳結(jié)構(gòu)（每個(gè)晶胞最多 100 個(gè)原子）。這些候選結(jié)構(gòu)首先被快速篩選（用 PINK 代碼估算熱導(dǎo)率、用 Phonopy 結(jié)合當(dāng)前 MLP 評(píng)估動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性）。
• 第二循環(huán)（迭代與反饋）：通過迭代構(gòu)建基于神經(jīng)進(jìn)化潛能（NEP）架構(gòu)的通用 MLP 提供支持，確保整個(gè)勢能面上的 DFT 級(jí)精度。

為了讓 MLP 具備泛化能力，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)覆蓋極廣的訓(xùn)練集，包含從 C??富勒烯到一維碳鏈、二維石墨烯、三維金剛石的各種結(jié)構(gòu)；不同雜化態(tài)的混合體系；極端力學(xué)狀態(tài)（從 -400 GPa 的拉伸到超過 1000 GPa 的壓縮）。

圖 2：碳機(jī)器學(xué)習(xí)潛能的訓(xùn)練性能和數(shù)據(jù)集多樣性。

訓(xùn)練好的 NEP 在能量、應(yīng)力和原子力預(yù)測上與 DFT 基準(zhǔn)高度吻合。應(yīng)力預(yù)測范圍覆蓋了從 -400 GPa 到 1000 GPa 的極端區(qū)間，這在傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)勢中幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。

而 NEP 捕捉不同維度晶格動(dòng)力學(xué)和雜化的能力也不容小覷。經(jīng)六種代表性碳同素異體的聲子色散關(guān)系的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，NEP 對(duì)金剛石、石墨烯、BC8、C? 等多種碳同素異形體的聲子譜預(yù)測與 DFT 幾乎完全重合，無虛頻，證明其能夠準(zhǔn)確描述不同雜化態(tài)下的晶格動(dòng)力學(xué)。

結(jié)構(gòu)定位

利用這套框架，團(tuán)隊(duì)生成了數(shù)千個(gè)候選結(jié)構(gòu)，并從中篩選出一系列動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的新碳相。

圖 3：突出同素異體的結(jié)構(gòu)和電荷密度分布。

1. 超硬相 C16_3：計(jì)算維氏硬度高達(dá) 103.3 GPa，超過金剛石的 96 GPa（實(shí)驗(yàn)值）。這意味著它可能成為一種新型超硬材料。
2. 「炔-金剛石」系列（C12 和 C8）：通過將線性 sp 雜化碳鏈（-C≡C-）插入金剛石的 C-C 鍵中形成。它們展現(xiàn)出極端的熱導(dǎo)各向異性——沿剛性骨架方向熱導(dǎo)率極高，而在垂直平面內(nèi)則因 sp 鏈的大幅度振動(dòng)而顯著降低。這種特性使其成為定向散熱和柔性熱界面材料的理想候選。
3. sp-sp2-sp3 雜化 C12：一種同時(shí)包含三種雜化態(tài)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。其 sp-sp2 網(wǎng)絡(luò)中的π電子高度離域，賦予其金屬導(dǎo)電性；同時(shí)，該結(jié)構(gòu)還表現(xiàn)出罕見的負(fù)泊松比（拉長時(shí)橫向膨脹），這在碳材料中極為少見。不過，該相在室溫下動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性稍弱（僅穩(wěn)定至約 100K），但其獨(dú)特的性能組合為設(shè)計(jì)多功能材料提供了重要思路。

碳結(jié)構(gòu)新發(fā)現(xiàn)

除開對(duì)新結(jié)構(gòu)的探討，團(tuán)隊(duì)還實(shí)際討論了這些新型碳形式是否能在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)際制造。他們的計(jì)算表明，這些結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與已經(jīng)被制造出來的其他碳材料（如富勒烯）相當(dāng)。

他們認(rèn)為，一些新形態(tài)可以通過既有的化學(xué)方法逐步構(gòu)建，而最致密、最堅(jiān)硬的結(jié)構(gòu)則可能通過在極高壓力下壓縮合適的起始材料形成。

總體來看，這項(xiàng)工作證明了「LLM 生成 + MLP 評(píng)估 + 主動(dòng)學(xué)習(xí)迭代」的閉環(huán)框架在材料發(fā)現(xiàn)中的巨大潛力。它不僅適用于碳，還可推廣到其他元素體系。

相關(guān)鏈接：https://arxiv.org/html/2602.22706v1

https://phys.org/news/2026-03-ai-driven-framework-uncovers-carbon.html