从青铜时代到工业革命，新材料的发现和开发始终是人类历史发展的重要推动力。这些新材料有力地推动了科技进步，塑造了人类文明。

如今，我们正处于一个新时代的开端，人工智能（AI）仿佛处在改变有用材料搜索方式的绝佳位置，这似乎将彻底革新它们的研究、创造以及测试方法。

在古代，人类尝试利用自然资源来打造工具和人工制品。公元前4500年左右的青铜时代是一个关键的里程碑。青铜作为一种铜和锡的合金，促使更坚固的工具和武器得以诞生，推动了农业和建筑的进步。

青铜通常被视为人类创造的第一种“新材料”。通过组合不同的元素，我们创造出新的物品，其性能比任何一种单一成分都更为优越，且具有独特的品质。大约在公元前3500年，玻璃在古代美索不达米亚的发明是另一个具有开创性的时刻。

时光快速流转至20世纪，塑料聚合物、陶瓷以及超导体的发现为技术领域开辟了新的天地。陶瓷以其出色的耐用性和耐热性而闻名，成为从航空航天到电子等多个行业的主要材料。

超导体是一种能够实现零电阻导电的材料，已被广泛应用于磁悬浮列车、粒子加速器以及医疗设备等领域。

人工智能登场

以往寻找有助于推动下一代突破性技术发展的新材料是一个漫长且成本高昂的过程。这主要是由于许多材料在原子和分子层面具有复杂性。传统的方法基本基于试错原则，需要借助专门的设备和资源。

材料发现过程中固有的不确定性和风险使得这一过程变得更加复杂且耗时更长。然而，随着人工智能的进步，包括其子集——机器学习的发展，整个局面开始发生改变，使得更有效、更具针对性的方法成为可能。

在机器学习中，被称为算法的数学规则能够从数据中学习，并在无需人为干预的情况下对任务进行优化。

主要的转变是一种以“生成式”人工智能系统为基础的新方法，它具备创造新内容的能力。如今，人工智能系统能够在给定所需性能和限制条件的情况下直接生产新材料。

本月早些时候，微软的一个团队在《自然》杂志上发表了一篇论文，介绍了一对用于设计无机材料（不以碳元素为基础的材料）的人工智能工具。

这两个工具在材料发现过程中发挥着互补的作用。它们分别被称为“MatterGen”和“MatterSim”。第一个程序负责创建新的候选材料，第二个程序则对这些候选材料进行筛选和验证，以确保它们能够在现实世界中实际应用。

通过MatterGen可以结合特定的期望属性，例如特定的对称性，或机械、电子和磁性等方面的属性。

与传统方法主要依靠直觉（以及广泛而繁琐的实验）不同，MatterGen能够在很短的时间内生成数千种具有特定所需特性的潜在材料。

这种以人工智能为主导的方法加速了材料设计的初始阶段，使研究人员能够探索更多的可能性，并将注意力集中在最有潜力的候选材料上。

MatterSim运用严格的计算机分析来预测这些拟议材料的稳定性和可行性。这种预测能力有助于从理论上可行的可能性中筛选出物理上可行的方案，从而确保只有稳定的材料才能在发现过程中继续推进。

盒子里的新工具

此时，我们或许会好奇，通过这个过程确定的新材料究竟是什么样子的呢？MatterSim主要关注晶体，或者更准确地说，是具有特定原子排列的独特晶体结构。

这些结构是经过精心设计的，以满足精确的性能要求，使其适用于各种应用场景，包括高能电池、柔性电子产品、显示器、太阳能电池板以及先进的医疗植入物等。

然而，微软这对强大的组合并非是唯一致力于此目标的团队。谷歌DeepMind的材料探索图形网络（Gnome）就是另一个有望大幅加快发现进程的工具。

Gnome采用了一种受人类大脑启发的人工智能技术——深度学习。它能够预测新材料的稳定性，从而大大缩短了探索和发现的阶段。

在2023年发表的一篇论文中，谷歌DeepMind的研究人员证明了他们的人工智能模型可以识别出220万种新的稳定材料，其中约736种已经通过实验得到了实现。

这与以往的方法相比，数量增加了十倍之多。这些材料中有许多以前不为人类化学家所知，在清洁能源、电子等领域有着潜在的应用价值。

尽管谷歌的Gnome和微软的MatterGen都是基于人工智能的技术，但它们的方法有所不同，在某些方面还提供了互补的方式。Gnome通过在现有结构上创建变体来预测新材料的稳定性，并专注于识别稳定的晶体材料。

另一方面，MatterGen采用生成式人工智能模型，根据特定的设计要求直接设计新材料。它通过改变元素、位置和周期晶格（三维重复结构）来构建材料结构。

人工智能驱动的材料发现所带来的影响是巨大的。它们可能会在能源储存和环境可持续性等领域带来创新成果。例如，其中一个最有前途的应用就是开发新型电池。

随着世界向可再生能源的过渡，对高效、持久电池的需求不断增长，并且这种需求将持续下去。人工智能工具可以帮助研究人员设计和识别出能够支持更高能量密度、更快充电速度以及更长寿命的新材料。

除了储能领域，新材料还可以用于设计新的医疗设备、植入物甚至药物输送系统。这将有助于改善患者的治疗效果，推动医学治疗的进步。

在航空航天领域，轻质且耐用的材料可以提高飞机和航天器的性能和安全性。同时，用于水净化、碳捕获和废物管理的新材料也能够解决一些紧迫的环境问题。