北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授采用了一套自主研发的基于图论的结构化学方法（Sci China Chem, 2019,  doi /10.1007/s11426-019-9502-5），把原子被定义为点，而相邻原子的连接关系被定义为边。通过数学图论中的图同构比对方法，可以对材料结构进行分类，分类结果可以反映出不同结构的拓扑特征。相比于体相材料，低维材料的结构对称性往往较低，且原子间的键长容易波动从而导致对称性破缺，这使得传统的基于对称性的分类方法难以提供有效的结构信息，无法为材料性质的预测提供帮助。这种情况在一维材料中尤为显著，因而制约了其发展。由于一维材料在未来晶体管设计中的应用价值，探讨一维材料的结构特征及其与物理化学性质之间的关联成为了目前亟待解决的课题，而基于化学图论的分类方法正是处理这一困难的重要手段。近日，潘锋课题组在《国家科学评论》发表了题为“Graph-based discovery and analysis of atomic-scale one-dimensional materials”的研究论文（National Science Review，2022， Doi10.1093/nsr/nwac028）。成功从已知晶体结构数据库中筛选出潜在的二维、一维和零维材料并对其进行拓扑结构分类。该研究基于图同构比对方法从无机晶体结构数据库中筛选出潜在的二维、一维和零维材料，并且依据材料的结构图是否同构的标准对筛选出的低维材料进行拓扑结构的分类。发现了一批新型的一维材料，并找到部分一维材料与二维材料结构图之间的子图同构关联。在该基础上结合第一性原理计算，提出了通过孤对s电子实现材料边缘自钝化的思路，由此可以实现材料维度的调控与设计。最后，还运用图论方法，对低维材料中配位多面体间的连接关系进行分析，提出了阳离子渗流网络的概念，总结出其与材料电子结构之间的重要关系。该研究表明，图论对材料结构拓扑信息的分类，将有助于挖掘不同结构之间、以及结构与性质之间的关联关系，从而为低维材料特别是一维材料的开发提供了一条值得探索的途径。