環(huán)球科普：一種更好的金屬合金設(shè)計(jì)方法


研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的方法，基于在原始金屬晶粒邊界之間的反應(yīng)，以預(yù)測(cè)金屬合金的性能。在這幅圖中，彩色的圓點(diǎn)表示原子沿著邊界聚集而非穿透邊界的可能性。圖片來源:麻省理工學(xué)院
從汽車到衛(wèi)星，從建筑材料到電子產(chǎn)品，先進(jìn)的金屬合金在現(xiàn)代生活的關(guān)鍵部分中必不可少。但是，由于研究人員對(duì)構(gòu)成大多數(shù)金屬的微小晶粒之間的邊界一知半解，限制了為特定用途創(chuàng)造具有最佳強(qiáng)度、硬度、耐腐蝕性和導(dǎo)電性等性能的新合金。
當(dāng)兩種金屬混合在一起時(shí)，次級(jí)金屬的原子可能會(huì)沿著這些晶界聚集，或者它們可能會(huì)通過晶界內(nèi)的原子晶格分散開來。材料的整體性能很大程度上取決于這些原子的行為，但迄今為止還沒有系統(tǒng)方法可以預(yù)測(cè)它們的行為。
麻省理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)在找到了一種方法，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)過程，對(duì)這些性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)預(yù)測(cè)，從而引導(dǎo)用于各種應(yīng)用的新型合金的開發(fā)。這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然-通訊》雜志上，論文由研究生Malik Wagih、博士后Peter Larsen以及材料科學(xué)與工程教授Christopher Schuh撰寫。


圖片來源：Pixabay
Schuh解釋說，多晶金屬占我們所使用金屬的絕大部分，了解多晶金屬的原子級(jí)行為是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。雖然單個(gè)晶體中的原子排列有序，相鄰原子之間的關(guān)系簡單且可預(yù)測(cè)，但大多數(shù)金屬物體中的多個(gè)微小晶體卻并非如此?！熬w在我們稱之為晶界的地方糅合在一起，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料中，有成千上萬的這樣的邊界。”
這些邊界有助于確定材料的性質(zhì)。他說:“你可以把它們看作是把晶體粘在一起的膠水?！薄暗撬鼈兪菬o序的，原子是雜亂的。它們與相融合兩邊的晶體都不匹配?！彼f，這意味著它們存在數(shù)十億種可能的原子排列方式，而晶體的排列方式只有幾種。創(chuàng)造新的合金涉及“試圖在金屬內(nèi)部設(shè)計(jì)那些區(qū)域，這確實(shí)比設(shè)計(jì)晶體要復(fù)雜數(shù)十億倍?！?br> Schuh用鄰里鄰居做了一個(gè)類比?！斑@有點(diǎn)像住在郊區(qū)，周圍可能有12個(gè)鄰居。在大多數(shù)金屬中，你環(huán)顧四周，你會(huì)看到12個(gè)人，他們離你的距離都是一樣的。這完全是同質(zhì)的。而在一個(gè)顆粒邊界，你仍然有大約12個(gè)鄰居，但他們都在不同的距離，他們都是不同大小的房子，在不同的方向?！?br> 他說，傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)新合金的人會(huì)直接忽略這一問題，或者只關(guān)注晶界的平均性質(zhì)，就好像它們都是一樣的，盡管他們知道事實(shí)并非如此。
相反,團(tuán)隊(duì)決定通過檢查大量典型案例的配置和交互的實(shí)際分布來嚴(yán)格地處理這個(gè)問題，然后使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法從這些具體情況進(jìn)行推斷，并為一系列可能的合金變化提供預(yù)測(cè)值。
在某些情況下，原子沿晶界聚集是一種理想的特性，可以提高金屬的硬度和抗腐蝕能力，但有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致脆化。根據(jù)一種合金的預(yù)期用途，工程師們將嘗試優(yōu)化其性能組合。在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)基于文獻(xiàn)中描述的基本組合，檢測(cè)了200多種不同的賤金屬和合金金屬組合。研究人員隨后系統(tǒng)地模擬了其中一些化合物，以研究它們的晶界構(gòu)型。這些數(shù)據(jù)被用于使用機(jī)器學(xué)習(xí)生成預(yù)測(cè)，而這些預(yù)測(cè)又被更多的模擬驗(yàn)證。機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)與詳細(xì)的測(cè)量結(jié)果非常吻合。


圖片來源：Pixabay
因此，研究人員能夠證明許多被排除在外的合金組合實(shí)際上是可行的。Wagih說，這項(xiàng)研究匯編的新數(shù)據(jù)庫已經(jīng)在公共領(lǐng)域開放，可以幫助任意一位正在設(shè)計(jì)新合金的人。
該小組正在加緊進(jìn)行分析?！霸谖覀兝硐朐O(shè)定中，我們要把元素周期表里的每一種金屬都拿出來，然后把元素周期表里的每一種元素都加到這些金屬里去，”Schuh說。“所以你拿著周期表，交叉檢查每一種可能的組合?！彼f，對(duì)于大部分組合，目前還沒有基本數(shù)據(jù)，但隨著越來越多的模擬和數(shù)據(jù)收集的完成，這些組合就可以集成到新系統(tǒng)中。
喬治梅森大學(xué)的物理學(xué)和天文學(xué)教授Yuri Mishin（沒有參與這項(xiàng)工作），他說:“合金中溶質(zhì)元素的晶界偏析是材料科學(xué)中最基本的現(xiàn)象之一。偏析會(huì)對(duì)晶界產(chǎn)生災(zāi)難性的脆化作用或提高晶界的黏聚力和抗滑性。對(duì)偏析能的精確控制是設(shè)計(jì)具有先進(jìn)機(jī)械性能、熱學(xué)性能或電子性能的新技術(shù)材料的有效工具。
但是，Yuri Mishin教授補(bǔ)充說，“現(xiàn)有偏析模型的一個(gè)主要局限是依賴于平均偏析能，這是一個(gè)非常粗糙的近似?！钡@個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功解決了這一挑戰(zhàn)。對(duì)于這個(gè)研究，他評(píng)價(jià)道，“研究質(zhì)量是優(yōu)秀的，核心思想具有重要的潛力，通過提供一個(gè)基于合金性能的快速篩選框架，將對(duì)合金設(shè)計(jì)領(lǐng)域界定合金晶界產(chǎn)生影響?！?br>


關(guān)注【深圳科普】微信公眾號(hào)，在對(duì)話框：
回復(fù)【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營】，了解最新科普研學(xué)營
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識(shí)】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識(shí)