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：本网整理来源：材料科学与工程分享至：

编辑推荐：加快高熵合金的计算建模和设计，该方法比目前的策略时间上减少了1.3万倍以上，可以实现超出目前实际的合金计算设计。登上2021年《自然》旗下新开辟的三本期刊之一，Nature Computational Science，首期的封面文章。

高熵合金具有N个元素和组成{Cν= 1,N}的竞争性晶体结构，为独特的化学和力学性能提供了巨大的设计空间。近日，来自美国艾奥瓦州立大学美国能源部艾姆斯实验室的Duane D.Johnson等研究者，为了实现计算设计，使用了一种元启发式杂化布谷鸟搜索（CS）来动态构建合金构型模型，该模型具有目标原子位置和任意晶格上的配对概率，由超胞随机近似（SCRAPs）与S位给出。相关论文以题为“Accelerating computational modeling and design of high-entropy alloys”发表在Nature computational science上。

论文链接：

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

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与此同时，Nature Computational Science，作为2021年《自然》旗下新开辟的三本期刊之一，该文就登上了首期该期刊的首个封面文章。

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复杂固溶合金（CSAs）是近等原子高熵合金的子集，对元素N ≥ 4和元素组成{Cν= 1,N}，甚至对中熵（N =3）合金，均表现出显著的性质。这些发现鼓励了将CSAs应用于极端环境技术的研究，如航空航天和能源发电，例如为更高的操作温度添加耐火元素。在耐火CSAs中，加工过程中普遍存在的空位缺陷，会对稳定性和相的选择产生深远的影响，从而增加了另一个设计元素。

因此，CSAs有广阔的设计空间，来创建具有新颖或性能改进的材料（例如，抗疲劳、抗氧化、抗腐蚀和抗磨损），但许多（特别是体积）性能，包括电阻率、热电性、弹性和屈服强度，可以随着微小的成分变化而迅速改变。因此，需要精确、快速生成的CSA模型来进行计算设计，并识别{Cν}导出的属性和热稳定性的趋势。然而，CSAs模型的设计空间，随着元素数N、对数N（N?1）和位置数S呈指数增长，这是一种NP-难（NP, 不确定性多项式时间）组合问题。

为了使计算合金设计更实用，研究者采用了一种元启发式的布谷鸟搜索（CS），这是一种由雌性杜鹃寄生在雏鸟身上的一种进化算法（EA），雌性杜鹃寄生在雏鸟身上，模仿少数宿主物种卵的颜色和图案。CS的优点如下：（1）其全局趋同成功率高于其他EAs；（2）其局部和全局搜索由切换参数控制；（3） Lévy flights更有效地扫描解空间，没有随机漫步，因此优于高斯过程。CS为棘手的或无梯度的问题，提供了近似的解决方案（巢），几乎没有特定问题的知识，通常只有一个适应度函数。对于复杂情况，适应度可以是不连续的（对噪声不可微）。相关方法包括模拟退火法、遗传算法、粒子群法、蚁群法和蝙蝠法。

在此，研究者受CS成功案例（包括在材料设计方面）的启发，推出了一种更高效的杂化CS，并将其用于标准函数，在这方面CS已经超过了大多数常见的EAs。该杂化CS允许有效的全局解决方案，用于大规模的离散组合优化，在多个并行处理器中线性扩展，在站点S中线性扩展。例如，一个包含四个元素、128个位置的SCRAp，在几秒钟内就能被发现——比目前的策略时间上减少了1.3万倍以上。因此，该方法可以实现目前超出实际的合金计算设计。