materials-databases

用途

该技能面向材料科学研究场景，作为专家助手帮助用户高效访问和查询两个主流材料数据库：AFLOW（Automatic Flow for Materials Discovery）与 Materials Project。用户可借此检索晶体结构、材料性质、热力学数据与计算数据。

主要能力

AFLOW

收录 350 万以上计算材料。
提供晶体结构、热力学性质与弹性性质。
基础访问无需 API Key，采用基于 URL 的简单 REST API 查询。
支持 AFLUX 检索语言，如按化学体系、带隙范围、形成焓范围与数据库目录筛选。
常用指令包括 ?keywords、?enthalpy_formation_atom、?Egap、?volume_cell、?geometry（POSCAR 格式）、?files。

Materials Project

收录 15 万以上无机化合物。
覆盖电子结构、声子、弹性、表面与电池材料数据。
需要免费 API Key，使用 Python 客户端库 mp-api，功能丰富。
支持按化学式、材料 ID（如 mp-149）或条件（带隙范围、元素组合、元素数量、energy_above_hull 等）检索。
可用数据模块包括 materials.summary、materials.thermo、materials.electronic_structure、materials.phonon、materials.elasticity、materials.surface_properties 与 molecules。

使用方式

安装

Materials Project：

pip install mp-api

或使用 conda：

conda install -c conda-forge mp-api

AFLOW 无需安装 Python 包即可使用 REST API；可选安装：

pip install requests
pip install aflow

推荐附加包：

pip install pymatgen ase
pip install pandas numpy matplotlib

API Key 配置

Materials Project API Key 获取步骤：访问 https://materialsproject.org/api ，点击“Generate API Key”（需通过 ORCID 或邮箱登录），复制长字符串 API Key。配置方式有三种：

环境变量（推荐）：

export MP_API_KEY="your_api_key_here"

配置文件：在 ~/.config/.mpapi.json 或 ~/.pmgrc.yaml 中写入：

echo '{"MAPI_KEY": "your_api_key_here"}' > ~/.config/.mpapi.json

代码中直接传入：

from mp_api.client import MPRester

with MPRester("your_api_key_here") as mpr:
    # Your code here
    pass

AFLOW 无需 API Key，API 公开可访问。

常见查询示例

Materials Project 按化学式检索：

from mp_api.client import MPRester

with MPRester(api_key="YOUR_API_KEY") as mpr:
    docs = mpr.materials.summary.search(formula="Si")
    docs = mpr.materials.summary.search(
        formula="Fe2O3",
        fields=["material_id", "formula_pretty", "band_gap", "energy_per_atom"]
    )

按材料 ID 检索：

with MPRester() as mpr:
    structure = mpr.get_structure_by_material_id("mp-149")
    doc = mpr.materials.summary.get_data_by_id("mp-149")

按条件检索：

with MPRester() as mpr:
    docs = mpr.materials.summary.search(
        band_gap=(1, 3),
        elements=["O", "Ti"],
        num_elements=2
    )
    docs = mpr.materials.summary.search(
        energy_above_hull=(0, 0.01),
        fields=["material_id", "formula_pretty", "energy_above_hull"]
    )

AFLOW REST 查询：

import requests

url = "http://aflowlib.duke.edu/AFLOWDATA/ICSD_WEB/FCC/Ag1/?keywords"
response = requests.get(url)
data = response.text

url = "http://aflowlib.duke.edu/AFLOWDATA/ICSD_WEB/FCC/Ag1/?enthalpy_formation_atom"
response = requests.get(url)

url = "http://aflowlib.duke.edu/search/API/?species(Au),Egap(5*),catalog(ICSD)"
response = requests.get(url)

使用 aflow Python 包（可选）：

import aflow

results = aflow.search(filter='species(Au),Egap(5*)')

for result in results:
    print(result.enthalpy_formation_atom)
    print(result.Egap)
    structure = result.atoms

适用场景

需要电子结构数据（能带结构、态密度、费米面）时，优先使用 Materials Project。
电池材料研究（电压、容量计算）时，优先使用 Materials Project。
表面性质与吸附能、详细声子计算、与 pymatgen 工作流集成、相稳定性分析（相图、energy above hull）时，优先使用 Materials Project。
大规模材料筛选（数百万条目）、弹性性质与力学数据、无法或不希望设置 API Key、基于 ICSD 的实验参考结构、快速属性查询（简单 REST 调用）时，优先使用 AFLOW。
可结合两个数据库进行交叉核验，例如先在 Materials Project 检索 TiO2，再通过 AFLOW 检索接口对照。

限制与注意事项

Materials Project 需要免费 API Key；AFLOW 无需 API Key。
Materials Project 的 Python 集成更好；AFLOW 使用 REST API。
资料称 Materials Project 的速率限制通常较宽松，但建议关注 API 状态。
查询时应尽量指定所需字段以减少数据传输，大结果集应分块获取（如 num_chunks、chunk_size），并可在本地缓存结果。
结构转换可使用 pymatgen.io.ase.AseAtomsAdaptor 在 MP Structure 与 ASE Atoms 之间互转。
错误处理可捕获 MPRestError 及其他异常。
两个数据库均持续更新新的计算结果。
详细 API 文档可参考 references/materials-project.md 与 references/aflow.md，完整可运行脚本见 examples/。