淺談高效識別晶體結(jié)構(gòu)的軟件: 一日看盡長安花

幾十年來，科學(xué)家們一直在努力識別晶體學(xué)數(shù)據(jù)庫中的原型和重復(fù)的結(jié)構(gòu)；并以簡明的方式標(biāo)記結(jié)構(gòu)，以識別（并能夠通過）結(jié)構(gòu)類型進行搜索。晶體結(jié)構(gòu)如同花花世界的花花相似又花花不同，要在急需時“一日看盡長安花”，辨別出花花不同，很是不易，甚至根本做不到。

近年來，在線資源庫的快速發(fā)展使這一問題變得更加嚴(yán)重。區(qū)分不同的晶體化合物變得越來越困難，導(dǎo)致以前研究的材料重復(fù)出現(xiàn)，不僅阻礙了數(shù)據(jù)庫的多樣性，還浪費了寶貴的計算和實驗資源。眾多的晶體幾何形狀和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)參數(shù)使得人工檢測方法非常繁瑣和困難。尋找結(jié)構(gòu)類型的一個主要復(fù)雜因素是晶體的非標(biāo)準(zhǔn)表示。

為了解決這一問題，人們開發(fā)了晶體比較工具來識別相似結(jié)構(gòu)。如Structure Matcher等程序都有不同的結(jié)構(gòu)比較相關(guān)目標(biāo)。例如，兩種程序相結(jié)合，用于識別通過其進化算法生成的不同材料。盡管有相當(dāng)多的平臺，但沒有一個軟件適用于結(jié)構(gòu)的原型檢測和分類。一部分軟件忽視了晶體學(xué)對稱性；

一部分軟件須依賴于外部對稱性包。除了技術(shù)功能之外，這些程序也并沒有提供內(nèi)置的方法來將結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的晶體庫和材料庫進行比較。為了促進材料的發(fā)現(xiàn)，必須將化合物與已有的原型進行分析，以確定新的結(jié)構(gòu)類型，以防止重復(fù)歸類。因此，一種自動可靠的大規(guī)模辨別獨特晶體結(jié)構(gòu)的方法對材料科學(xué)界至關(guān)重要。

來自美國杜克大學(xué)機械工程與材料科學(xué)系的Stefano Curtarolo教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊提出了XtalFinder軟件：一個自動識別獨特原型和計算晶體結(jié)構(gòu)相似性的軟件。該框架可以執(zhí)行強大的對稱性、局部原子構(gòu)型和幾何結(jié)構(gòu)比較。

軟件可用于量化1）化合物（材料類型比較）、2）原型（結(jié)構(gòu)類型比較）、3）原子裝飾（裝飾類型比較）和4）自旋構(gòu)型（磁性構(gòu)型比較）的結(jié)構(gòu)相似性。該程序可以同時分析多個結(jié)構(gòu)，并將它們聚合為等價的組，并提供多線程功能以提高性能。內(nèi)置的方法可以將輸入結(jié)構(gòu)與AFLOW.org資源庫和AFLOW原型庫進行比較，以檢測新的化合物和結(jié)構(gòu)類型。

作者在用戶手冊中提供了命令行和Python接口，便于將其納入用戶工作流程。將這些程序應(yīng)用于AFLOW-ICSD資源庫，從60，000多個ICSD條目中發(fā)現(xiàn)了大約15，000個原型，用來表示34，000多個不同的化合物?？偟膩碚f，XtalFinder是一個尋找原型和比較晶體幾何形狀的多功能工具。

該文近期發(fā)表于npj Computational Materials 7： 30 （2021），英文標(biāo)題與摘要如下。

AFLOW-XtalFinder： a reliable choice to identify crystalline prototype

David Hicks， Cormac Toher， Denise C. Ford， Frisco Rose， Carlo De Santo， Ohad Levy， Michael J. Mehl & Stefano Curtarolo

The accelerated growth rate of repository entries in crystallographic databases makes it arduous to identify and classify their prototype structures. The open-source AFLOW-XtalFinder package was developed to solve this problem.

It symbolically maps structures into standard designations following the AFLOW Prototype Encyclopedia and calculates the internal degrees of freedom consistent with the International Tables for Crystallography.

To ensure uniqueness， structures are analyzed and compared via symmetry， local atomic geometries， and crystal mapping techniques， simultaneously grouping them by similarity. The software （i） distinguishes distinct crystal prototypes and atom decorations， （ii） determines equivalent spin configurations， （iii） reveals compounds with similar properties， and （iv） guides the discovery of unexplored materials. The operations are accessible through a Python module ready for workflows， and through command line syntax.

All the 4+ million compounds in the AFLOW.org repositories are mapped to their ideal prototype， allowing users to search database entries via symbolic structure-type. Furthermore， 15，000 unique structures — sorted by prevalence — are extracted from the AFLOW-ICSD catalog to serve as future prototypes in the Encyclopedia.

編輯：jq