編輯推薦：加快高熵合金的計(jì)算建模和設(shè)計(jì)，該方法比目前的策略時間上減少了1.3萬倍以上，可以實(shí)現(xiàn)超出目前實(shí)際的合金計(jì)算設(shè)計(jì)。登上2021年《自然》旗下新開辟的三本期刊之一，Nature Computational Science，首期的封面文章。

高熵合金具有N個元素和組成{Cν= 1,N}的競爭性晶體結(jié)構(gòu)，為獨(dú)特的化學(xué)和力學(xué)性能提供了巨大的設(shè)計(jì)空間。近日，來自美國艾奧瓦州立大學(xué)美國能源部艾姆斯實(shí)驗(yàn)室的Duane D.Johnson等研究者，為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算設(shè)計(jì)，使用了一種元啟發(fā)式雜化布谷鳥搜索（CS）來動態(tài)構(gòu)建合金構(gòu)型模型，該模型具有目標(biāo)原子位置和任意晶格上的配對概率，由超胞隨機(jī)近似（SCRAPs）與S位給出。相關(guān)論文以題為“Accelerating computational modeling and design of high-entropy alloys”發(fā)表在Nature computational science上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s43588-020-00006-7

與此同時，Nature Computational Science，作為2021年《自然》旗下新開辟的三本期刊之一，該文就登上了首期該期刊的首個封面文章。

復(fù)雜固溶合金（CSAs）是近等原子高熵合金的子集，對元素N ≥ 4和元素組成{Cν= 1,N}，甚至對中熵（N =3）合金，均表現(xiàn)出顯著的性質(zhì)。這些發(fā)現(xiàn)鼓勵了將CSAs應(yīng)用于極端環(huán)境技術(shù)的研究，如航空航天和能源發(fā)電，例如為更高的操作溫度添加耐火元素。在耐火CSAs中，加工過程中普遍存在的空位缺陷，會對穩(wěn)定性和相的選擇產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，從而增加了另一個設(shè)計(jì)元素。

因此，CSAs有廣闊的設(shè)計(jì)空間，來創(chuàng)建具有新穎或性能改進(jìn)的材料（例如，抗疲勞、抗氧化、抗腐蝕和抗磨損），但許多（特別是體積）性能，包括電阻率、熱電性、彈性和屈服強(qiáng)度，可以隨著微小的成分變化而迅速改變。因此，需要精確、快速生成的CSA模型來進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，并識別{Cν}導(dǎo)出的屬性和熱穩(wěn)定性的趨勢。然而，CSAs模型的設(shè)計(jì)空間，隨著元素?cái)?shù)N、對數(shù)N（N?1）和位置數(shù)S呈指數(shù)增長，這是一種NP-難（NP, 不確定性多項(xiàng)式時間）組合問題。

為了使計(jì)算合金設(shè)計(jì)更實(shí)用，研究者采用了一種元啟發(fā)式的布谷鳥搜索（CS），這是一種由雌性杜鵑寄生在雛鳥身上的一種進(jìn)化算法（EA），雌性杜鵑寄生在雛鳥身上，模仿少數(shù)宿主物種卵的顏色和圖案。CS的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）其全局趨同成功率高于其他EAs；（2）其局部和全局搜索由切換參數(shù)控制；（3） Lévy flights更有效地掃描解空間，沒有隨機(jī)漫步，因此優(yōu)于高斯過程。CS為棘手的或無梯度的問題，提供了近似的解決方案（巢），幾乎沒有特定問題的知識，通常只有一個適應(yīng)度函數(shù)。對于復(fù)雜情況，適應(yīng)度可以是不連續(xù)的（對噪聲不可微）。相關(guān)方法包括模擬退火法、遺傳算法、粒子群法、蟻群法和蝙蝠法。

在此，研究者受CS成功案例（包括在材料設(shè)計(jì)方面）的啟發(fā)，推出了一種更高效的雜化CS，并將其用于標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，在這方面CS已經(jīng)超過了大多數(shù)常見的EAs。該雜化CS允許有效的全局解決方案，用于大規(guī)模的離散組合優(yōu)化，在多個并行處理器中線性擴(kuò)展，在站點(diǎn)S中線性擴(kuò)展。例如，一個包含四個元素、128個位置的SCRAp，在幾秒鐘內(nèi)就能被發(fā)現(xiàn)——比目前的策略時間上減少了1.3萬倍以上。因此，該方法可以實(shí)現(xiàn)目前超出實(shí)際的合金計(jì)算設(shè)計(jì)。

圖1 基于雜化CS優(yōu)化的bcc等原子ABCDE固溶合金250個原子的晶胞，每個原子周圍有三個相鄰殼層為零SRO。

圖2 雜化CS和CS函數(shù)值對比迭代（客觀評價），使6個函數(shù)達(dá)到最優(yōu)。

圖3 雜化CS的性能。

圖4 雜化CS vs 僅MC優(yōu)化的一個54原子的bcc SCRAP。

圖5 在108個位SCRAP的Cu0.75Au0.25相對于SRO的Eform。

圖6 耐火bcc TaNbMo, TaNbMoW和TaNbMoWV的SCRAPs結(jié)果。

綜上所述，研究者開發(fā)的雜化CS優(yōu)化SCRAPs，允許設(shè)計(jì)任意復(fù)雜的固溶合金，并預(yù)測性能和趨勢，包括表面、催化和氧化，但這是其他方法目前所不能達(dá)到的。在此，研究者評估了二元到五元固溶體的穩(wěn)定性和性質(zhì)，并討論了模型的限定條件。然而，顯著的DFT計(jì)算資源是必要的，為廣泛的組合和屬性生成數(shù)據(jù)庫。

為了進(jìn)一步加速設(shè)計(jì)，研究者將SCRAPs與高通量DFT計(jì)算相結(jié)合，以生成精確但有限的數(shù)據(jù)庫，并驗(yàn)證或補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。最后，雜化CS在其他領(lǐng)域（如制造業(yè)、商業(yè)、金融、科學(xué)和工程）提供了潛在的優(yōu)化改進(jìn)，只要可以定義一個合適的適應(yīng)性，即可以快速評估。