怎樣才能讓我們的電子產(chǎn)品更智能、更迅速、更有適應(yīng)性？一種想法就是用拓?fù)洳牧蟻?lái)制造它們。

拓?fù)鋵W(xué)源于數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，它專門研究一些可以被操縱或變形，卻不會(huì)喪失某些核心特性的形狀，比如“甜甜圈”就是一個(gè)常見(jiàn)的例子。


從甜甜圈到咖啡杯的拓?fù)滢D(zhuǎn)換。(圖/Keenan Crane and Henry Segerman,Wikimedia Commons,CC BY-SA)

想象一個(gè)用橡膠制成的“甜甜圈”，它就可以被扭曲和擠壓成一個(gè)全新的形狀，同時(shí)仍然保留一個(gè)關(guān)鍵特征，也就是中心的孔洞，比如它可以轉(zhuǎn)換成一個(gè)帶手柄的咖啡杯，手柄便保留下了中心孔洞的特征。在這種情況下，這個(gè)孔就是一種拓?fù)涮卣?，它?duì)某些變形具有很強(qiáng)的“抵抗力”。

近年來(lái)，科學(xué)家已經(jīng)將拓?fù)鋵W(xué)的概念應(yīng)用在發(fā)現(xiàn)具有類似的強(qiáng)大電子特性的材料上。2007年，科學(xué)家預(yù)測(cè)了第一個(gè)電子拓?fù)浣^緣體，其中電子的行為方式是拓?fù)浔Ｗo(hù)的，在面對(duì)某些破壞時(shí)仍可以持續(xù)存在。

自那時(shí)起，為了建造更好、更穩(wěn)健的電子設(shè)備，科學(xué)家一直在尋找更多拓?fù)洳牧稀５葍H僅發(fā)現(xiàn)了少量類似材料，因此它們被認(rèn)為非常罕見(jiàn)。

但近日，一組研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，拓?fù)洳牧掀鋵?shí)無(wú)處不在，重要的是需要知道如何尋找它們。在《科學(xué)》雜志上的一篇論文中，團(tuán)隊(duì)報(bào)道他們利用多臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，繪制了96000多種天然和合成晶體材料的電子結(jié)構(gòu)。

他們應(yīng)用復(fù)雜的過(guò)濾器來(lái)確定每種結(jié)構(gòu)中是否存在拓?fù)涮卣饕约澳姆N特征?？偟膩?lái)說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)，所有已知的晶體結(jié)構(gòu)中，有9成至少包含一種拓?fù)涮匦?，而所有自然發(fā)生的材料中，半數(shù)以上都會(huì)表現(xiàn)出某種拓?fù)湫袨椤?/span>

超越直覺(jué)的搜索 
過(guò)往，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)原始材料的方式通常是依賴化學(xué)直覺(jué)。這種方法在早期帶來(lái)了很多成功的例子，但是，隨著理論預(yù)測(cè)出了更多種類的拓?fù)湎鄷r(shí)，直覺(jué)似乎并沒(méi)有能幫助我們走得很遠(yuǎn)。

這項(xiàng)新研究的動(dòng)機(jī)正是希望加快對(duì)拓?fù)洳牧系乃阉?。研究團(tuán)隊(duì)想找到一種高效且系統(tǒng)的方法，在所有已知的晶體結(jié)構(gòu)(無(wú)機(jī)固態(tài)材料)中找出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的跡象，也就是穩(wěn)健的電子行為。

研究人員首先著眼于無(wú)機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)(ICSD)。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)包含了大量過(guò)往研究過(guò)的晶體材料的原子和化學(xué)結(jié)構(gòu)，囊括了在自然界中發(fā)現(xiàn)的材料，也有那些在實(shí)驗(yàn)室中被合成和操縱的材料。它是目前世界上最大的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，包含了超過(guò)193000種晶體，它們的結(jié)構(gòu)都已被繪制并表征。

團(tuán)隊(duì)從整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選出了96000多種最終可處理的結(jié)構(gòu)。對(duì)于其中每一種，他們根據(jù)化學(xué)成分之間的關(guān)系進(jìn)行了一系列計(jì)算，從而制作出材料的電子帶結(jié)構(gòu)的圖譜。

研究人員使用多臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)每種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了高效而復(fù)雜的計(jì)算，接著，他們進(jìn)而篩選出各種已知的拓?fù)湎啵簿褪敲糠N晶體材料中持續(xù)存在的電學(xué)行為。

從他們的高通量分析中，團(tuán)隊(duì)很快就發(fā)現(xiàn)了數(shù)量驚人的自然拓?fù)洳牧?，以及可以被操控的材料，例如借助光或化學(xué)摻雜而表現(xiàn)出某種穩(wěn)健的電子行為。他們還發(fā)現(xiàn)了少數(shù)幾種材料，當(dāng)暴露在某些條件下時(shí)，這些材料含有超過(guò)一種拓?fù)鋺B(tài)。

拓?fù)洳牧蠑?shù)據(jù)庫(kù)
團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將新發(fā)現(xiàn)的材料編入了一個(gè)可自由訪問(wèn)的新的拓?fù)洳牧蠑?shù)據(jù)庫(kù)，它就像一個(gè)拓?fù)鋵W(xué)的“元素周期表”。

對(duì)于正在研究這種效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)者來(lái)說(shuō)，新的數(shù)據(jù)庫(kù)揭示了一個(gè)可供探索的新材料群。有了它，科學(xué)家就可以快速搜索感興趣的拓?fù)洳牧?，了解可能擁有的任何拓?fù)涮匦?，并利用它們制造出超低功率的晶體管、新的磁性記憶存儲(chǔ)以及其他具有強(qiáng)大電子特性的設(shè)備。