芝加哥大学的研究团队近日提出了一种新的计算材料研究方法，该方法旨在通过整合量子化学中两种不同的研究视角，以更好地理解和设计功能材料。相关研究论文已发表在《自然通讯》杂志上。

该方法的核心是发展一种混合计算框架，尝试将物理学家关注的能带理论与化学家侧重的局域电子行为描述相结合。论文资深作者、化学系教授劳拉·加利亚尔迪表示：“几十年来，化学家和物理学家一直使用截然不同的视角来研究材料。我们现在所做的，是创建了一种严谨的方法，将这些视角结合起来。这为我们提供了一套新的工具，帮助我们理解并最终设计出具有非凡性能的材料。”

许多重要材料，如有机半导体和强关联氧化物，其电子行为兼具局域化和离域化特征，传统单一视角的计算材料方法难以准确描述。论文共同第一作者丹尼尔·金解释说：“虽然可以精确描述单个碎片上的电子，但这样就无法了解电荷如何在材料中运动的整体情况。我们的方法解决了这个问题：既可以对局部碎片进行建模，又可以捕捉电子如何在碎片之间跃迁。”

该研究建立在一个名为“局域活性空间”的框架之上，并将其扩展应用于周期性固体。研究团队通过模拟氢链和太阳能电池中的p-n结等案例，验证了这一新计算材料方法的有效性。共同第一作者、研究生巴夫内什·詹吉德表示：“作为原理验证，这只是第一步。我们证明了我们的方法能够高精度地捕捉到正确的物理现象。现在，我们希望将其他先进方法整合到该方法中，以不断改进它。”

研究人员展望，这种新方法未来既可成为剖析现有材料微观机理的工具，也可能为定向设计新型计算材料提供理论指导。丹尼尔·金总结道：“所有材料本质上都是量子力学的。这是朝着真正了解量子力学如何驱动我们日常生活中使用的各种特性迈出的重要一步。”

更多信息： 作者Daniel S. King 等人，标题《利用局域活性空间弥合量子化学中分子与材料之间的差距》，发表于《自然通讯》 (2025)。期刊信息： 《自然通讯》