新材料基因組實驗室

本實驗室以微觀分子理論為出發點，以解決新材料開發過程中實際問題為科學目標，發展完善精確而有效的復雜分子體系量子動力學等理論方法，結合仿真設計與實驗測試驗證，建立材料體系微觀基本結構（即DNA）及動態過程理論模型，研究決定材料體系結構、性質、功能和工作機理的分子理論基礎。結合北大新材料學院的新能源戰略，從分子水平設計、尋找、開發新能源材料，從而縮短新材料研制周期，實現材料的低成本可控制備。

實驗室主要研究方向：

（1）復雜體系量子力學理論、統計力學方法以及多重尺度算法
從分子理論模型設計開發新材料是材料科學的最高境界。實驗室致力于發展完善復雜分子體系量子動力學理論，結合第一性原理電子結構計算、統計力學和應用數學方法，建立材料體系多重尺度的關聯，精確有效地描述大尺度真實材料體系的實時動態過程。與實驗緊密結合，發展從微觀動力學過程到宏觀材料性能的新材料預測模型和計算方法。
（2）表面、界面非平衡態分子動力學
真實材料體系的動力學過程絕大多數處于非平衡態，并且與表面界面性質密切相關。復雜體系、表面界面與非平衡態是當今動力學理論公認的難題和熱點。因此實驗室重點研究材料體系表面、界面非平衡態分子動力學過程（比如能量耗散過程）和反應機理，以及表面形貌、缺陷對動力學的影響，為選用新材料、改進材料性能和制備工藝提供指導信息，提高電池安全性、電池效率、壽命、以及快充能力。
（3） 材料體系核－電子耦合量子理論
原子核與電子的耦合相互作用在材料體系中非常重要，比如材料的超導電性與電子－聲子（晶格振動）相互作用密切相關。實驗室通過發展非絕熱（即多個勢能面之間的耦合）量子動力學理論，研究材料體系電子結構與原子核耦合運動的演化規律，即電荷／載流子／激子輸運動力學中的量子效應和相干性，尋找提高太陽能電池光電轉化效率、功率密度、改善結構性能以及降低成本的有效途徑，并探索二維原子晶體生長動力學與可控制備以及超導電性等新奇特性。同時研究超短氫鍵對光電功能材料結構、物理性質、以及性能的影響，設計開發基于超短氫鍵的新型光電材料。
量子理論方法：

    復雜分子體系量子動力學方法的開發將基于量子力學的半經典初值表示方法并將結合統計力學中過渡態路徑取樣的方法以及對相空間拓撲結構的分析，從深刻理解物理圖象的角度優化量子動力學計算。 

核－電子耦合量子理論：

電子態非絕熱動力學：在很多光化學過程中，比如光解反應，價電子轉移，有機電環化反應，納米結構半導體光致電子輸運以及光合作用中光催化等等，波恩－奧本海默近似不再成立而在不同勢能面之間發生非絕熱躍遷。電子態非絕熱過程的本質在于原子核和電子的耦合相互作用，其動力學過程對研究化學反應的性質比如反應速率、分支反應比率、催化機制等等至關重要。如何研究電子態非絕熱動力學過程是理論化學最前沿的課題。我們將基于Meyer‐Miller‐Stock‐Thoss （MMST）理論以及半經典動力學理論，以太陽能電池、鋰離子動力電池、以及二維原子晶體為主要應用對象，進一步發展復雜分子體系非絕熱動力學理論。

研究流程圖：

 研究內容框圖：

聯系人：陶國華 副教授
Email: taogh@pkusz.edu.cn