2019提名国家自然科学奖项目-CALYPSO晶体结构预测方法与应用

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2019年度国家自然科学奖提名公示材料
项目名称        CALYPSO晶体结构预测方法与应用
提名单位        教育部


提名意见
（不超过600字）        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、PRL等学术刊物上，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。


项目简介        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。1988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（CALYPSO）晶体结构预测方法，解决了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CALYPSO晶体结构预测方法，编制了自主产权的计算软件（详见http://www.calypso.cn），成为国际通用方法和软件。
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CALYPSO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）。
三、利用CALYPSO解决了传统结构预测方法无法解决的科学难题：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Bi2Te3高压超导相结构难题。
历经12年的发展，CALYPSO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CALYPSO，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CALYPSO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”（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。CALYPSO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》。
CALYPSO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、PRL等刊物上，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”，获教育部自然科学一等奖。马琰铭入选2017、2018年度科睿唯安“高被引科学家”（Highly Cited Researchers）。


客观评价        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”。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Ashcroft领导的康奈尔大学研究团队，美国科学院院士Mao和美国科学院院士Hemley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 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（Walter Kohn）奖”。
1、本项目成果被Nature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
CALYPSO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卷中，通过一整节详细介绍和评述了CALYPSO方法，并在晶体结构预测综述文章[PCCP 17, 2917 (2015)]中大篇幅引用和评价CALYPSO方法，指出：“马及其合作者首次采用粒子群优化算法开发了CALYPSO结构预测程序”；澳大利亚联邦大学Zhang在Springer集团出版的专著《Molecular Structures and Structural Dynamics of Prion Proteins and Prions》通过单独一章对CALYPSO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CALYPSO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VASP官网和我国国家超级计算天津中心官网对CALYPSO方法和软件进行了重点推介；2015年9月《科学通报》在第27期推出了“CALYPSO结构预测方法及应用”专题，全面介绍CALYPSO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“CALYPSO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XeFe3和XeNi3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 Paradox）”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个最不可思议的发现之一”；Live Science、HUFF POST Science、New Scientist和CERN COURIER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，国际同行开展了系列跟踪和拓展研究
CALYPSO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“ESI高被引论文”。国际同行高度评价了CALYPSO方法的有效性和效率。如诺贝尔奖得主Hoffmann指出：我们采用的CALYPSO是“发展很好”（well-developed）的结构预测方法；美国科学院院士Hemley评价：CALYPSO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: …… CALYPSO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CALYPSO是高效可靠的结构预测方法，在这种“强大”（powerful）方法的帮助下，我们获得研究体系的基态结构。美国内华达大学Chen等人指出：CALYPSO方法被证明是一种“高效准确”（effective and accurate）且可适用于不同材料体系的晶体结构预测方法。
项目典型示范研究成果（发现点三）被国际同行广泛引用、高度评价和跟踪拓展研究。4篇代表论文SCI他引414次，其中3篇入选“ESI高被引论文”。在本项目成果的引领下，一个中、美、俄、加国际联合团队实验合成了本项目预言的XeFe3和XeNi3；法国原子能和替代能源委员会Dewaele等人也合成出了XeNi3。Bi2Te3高压超导相结构成果，为A2B3型化合物提供了全新结构原型，被广泛用来设计和指认A2B3型高压新相的结构。西班牙瓦伦西亚理工大学的Vilaplana等人开展了跟踪研究，获得了Bi2Te3高压拉曼数据，进一步证实本项目研究结果，并评价：“Bi-Te材料的高压晶体结构是一个长期悬而未解的难题, …尤其是结合了基于粒子群优化算法的结构预测软件，才确定出Bi2Te3的高压相结构和空间群”。基于高压下冰的离子相结构，美国加州大学Militzer等人构建了冰的相图[PRL 110, 151102 (2013)]，并指出：“CALYPSO预言出了最稳定的冰高压相结构，该结构通过随机方法无法得到”，为CALYPSO的先进性提供了佐证。


代表性论文专著目录
序号        论文专著名称/刊名/作者        年卷页码        发表时间        通讯作者        第一作者        国内作者        SCI他引次数        他引总次数        论文署名单位是否包含国外单位
1        Crystal Structure Prediction via Particle Swarm Optimization / Phys. Rev. B / Yanchao Wang, Jian Lv, Li Zhu and Yanming Ma        2010年82卷094116页        2010年9月28日        Yanming Ma        Yanchao Wang        王彦超，吕  健，朱  黎，
马琰铭        640        665        否
2        CALYPSO: A method for crystal structure prediction / Comput. Phys. Commun / Yanchao Wang, Jian Lv, Li Zhu and Yanming Ma        2012年183卷2063页        2012年10月1日        Yanming Ma        Yanchao Wang        王彦超，吕  健，朱  黎，马琰铭        470        482        否
3        Self-assembled ultrathin nanotubes on diamond (100) surface / Nature Commun. / Shaohua Lu, Yanchao Wang, Hanyu Liu, Mao-sheng Miao and Yanming Ma        2014年5卷3666页        2014年4月16日        Mao-sheng Miao and Yanming Ma        Shaohua Lu        鲁少华，王彦超，刘寒雨，马琰铭        61        63        是
4        Particle-swarm structure prediction on clusters / J. Chem. Phys. / Jian Lv, Yanchao Wang, Li Zhu and Yanming Ma        2012年137卷084104页        2012年8月23日        Yanming Ma        Jian Lv        吕  健，王彦超，朱  黎，马琰铭        119        122        否
5        Reactions of xenon with iron and nickel are predicted in the Earth's inner core / Nature Chem. / Li Zhu, Hanyu Liu, Chris J. Pickard, Guangtian Zou and Yanming Ma        2014年6卷644页        2014年4月20日        Yanming Ma        Li Zhu        朱  黎，刘寒雨，邹广田，马琰铭        119        121        是
6        Substitutional Alloy of Bi and Te at High Pressure / Phys. Rev. Lett. / Li Zhu, Hui Wang, Yanchao Wang, Jian Lv, Yanmei Ma, Qiliang Cui, Yanming Ma and Guangtian Zou        2011年106卷145501页        2011年4月8日        Yanmei Ma and Yanming Ma        Li Zhu        朱  黎，王  晖，王彦超，吕  健，马艳梅，崔启良，马琰铭，邹广田        146        148        否
7        High pressure partially ionic phase of water ice / Nature Commun. / Yanchao Wang, Hanyu Liu, Jian Lv, Li Zhu, Hui Wang and Yanming Ma        2011年2卷563页        2011年11月29日        Yanming Ma        Yanchao Wang        王彦超，刘寒雨，吕  健，朱  黎，王  晖，马琰铭        95        97        否
8        Spiral chain O4 form of dense oxygen / Proc. Natl. Acad. Sci. USA / Li Zhu, Ziwei Wang, Yanchao Wang, Guangtian Zou, Ho-Kwang Mao and Yanming Ma        2012年109卷751页        2012年1月17日        Ho-Kwang Mao and Yanming Ma        Li Zhu        朱  黎，王紫薇，王彦超，邹广田，马琰铭        54        54        是
合计                1704        1751       
主要完成人情况       
马琰铭
排名：1
行政职务：吉林大学物理学院院长
技术职称：教授
工作单位：吉林大学
完成单位：吉林大学
项目贡献：本项目的负责人，提出了项目的总体学术思想，指定了总体研究方案，和博士生一起实施了研究方案。对《重要科学发现》中的第一、二、三项科学发现均做出了创造性的突出贡献，是本项目8篇代表性论文的责任作者。


王彦超
排名：2
行政职务：无
技术职称：教授
工作单位：吉林大学
完成单位：吉林大学
项目贡献：本项目的主要完成人之一，对《重要科学发现》中的第一、二、三项科学发现做出了创造性贡献，是第1、2、7篇代表性论文的第一作者，第3、4、6、8篇代表性论文的主要合作者。


吕健
排名：3
行政职务：无
技术职称：讲师
工作单位：吉林大学
完成单位：吉林大学
项目贡献：本项目的主要完成人之一，对《重要科学发现》中的第一、二、三项科学发现做出了创造性贡献，是第4篇代表性论文的第一作者，是第1、2、6、7篇代表性论文的主要合作者。


刘寒雨
排名：4
行政职务：无
技术职称：教授
工作单位：吉林大学
完成单位：吉林大学
项目贡献：本项目的主要完成人之一，对《重要科学发现》中第二和三项科学发现做出了创造性贡献，是3、5、7代表性论文主要合作者。


王晖
排名：5
行政职务：无
技术职称：教授
工作单位：吉林大学
完成单位：吉林大学
项目贡献：本项目的主要完成人之一，对《重要科学发现》中第三项科学发现做出了创造性贡献，是第6和7篇代表性论文的主要合作者。
完成人合作关系说明        本人马琰铭是本项目的负责人，提出了项目的总体学术思想，指定了总体研究方案，与合作者一起实施了研究方案，是本项目8篇代表性论文的责任作者，是其他四位主要完成人的博士生导师。
吉林大学王彦超教授是本项目的主要完成人之一，他在2006-2013年期间在本人课题组攻读博士学位，之后留校任教，在本人研究团队工作至今。他是第1、2、7篇代表性论文的第一作者，第3、4、6、8篇代表性论文的主要合作者，对项目的第一、二、三项科学发现做出了创造性贡献。
吉林大学吕健博士是本项目的主要完成人之一，他在2007 - 2013年期间在本人课题组攻读博士学位，于2016年入职吉林大学，在本人研究团队工作至今。他是第4篇代表性论文的第一作者，是第1、2、6、7篇代表性论文的主要合作者，对项目的第一、二、三项科学发现做出了创造性贡献。
吉林大学刘寒雨教授是本项目的主要完成人之一，他在2008-2013年期间在本人课题组攻读博士学位，之后赴加拿大萨省大学和美国卡耐基研究院开展博士后研究，于2018年入职吉林大学。他是第3、5、7篇代表性论文的主要合作者，对项目的第二、三项科学发现做出了创造性贡献。
吉林大学王晖教授是本项目的主要完成人之一，他在2007-2010年期间在本人课题组攻读博士学位，之后留校任教，在本人研究团队工作至今。他是第6、7篇代表性论文的主要合作者，对项目的第三项科学发现做出了创造性贡献。