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高熵合金！登上《Nature》旗下新期刊的第一期封面！

2021-02-09 13:31:32 作者：本網整理來源：材料科學與工程分享至：

編輯推薦：加快高熵合金的計算建模和設計，該方法比目前的策略時間上減少了1.3萬倍以上，可以實現超出目前實際的合金計算設計。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}的競爭性晶體結構，為獨特的化學和力學性能提供了巨大的設計空間。近日，來自美國艾奧瓦州立大學美國能源部艾姆斯實驗室的Duane D.Johnson等研究者，為了實現計算設計，使用了一種元啟發式雜化布谷鳥搜索（CS）來動態構建合金構型模型，該模型具有目標原子位置和任意晶格上的配對概率，由超胞隨機近似（SCRAPs）與S位給出。相關論文以題為“Accelerating computational modeling and design of high-entropy alloys”發表在Nature computational science上。

論文鏈接：

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

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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。

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復雜固溶合金（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，均表現出顯著的性質。這些發現鼓勵了將CSAs應用于極端環境技術的研究，如航空航天和能源發電，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，會對穩定性和相的選擇產生深遠的影響，從而增加了另一個設計元素。

因此，CSAs有廣闊的設計空間，來創建具有新穎或性能改進的材料（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模型來進行計算設計，并識別{Cν}導出的屬性和熱穩定性的趨勢。然而，CSAs模型的設計空間，隨著元素數N、對數N（N?1）和位置數S呈指數增長，這是一種NP-難（NP, 不確定性多項式時間）組合問題。

為了使計算合金設計更實用，研究者采用了一種元啟發式的布谷鳥搜索（CS），這是一種由雌性杜鵑寄生在雛鳥身上的一種進化算法（EA），雌性杜鵑寄生在雛鳥身上，模仿少數宿主物種卵的顏色和圖案。CS的優點如下：（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控制；（3） Lévy flights更有效地掃描解空間，沒有隨機漫步，因此優于高斯過程。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，通常只有一個適應度函數。對于復雜情況，適應度可以是不連續的（對噪聲不可微）。相關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（包括在材料設計方面）的啟發，推出了一種更高效的雜化CS，并將其用于標準函數，在這方面CS已經超過了大多數常見的EAs。該雜化CS允許有效的全局解決方案，用于大規模的離散組合優化，在多個并行處理器中線性擴展，在站點S中線性擴展。例如，一個包含四個元素、128個位置的SCRAp，在幾秒鐘內就能被發現——比目前的策略時間上減少了1.3萬倍以上。因此，該方法可以實現目前超出實際的合金計算設計。