Ερευνητές από το Κέντρο Υλικών του Skoltech πρότειναν μια νέα προσέγγιση για τη μοντελοποίηση των μηχανικών ιδιοτήτων ετερογενών υλικών.
Η μέθοδος συνδυάζει τη μηχανική μάθηση με την ενεργή μάθηση σε τοπικές χημικές διαμορφώσεις, επιτρέποντας υπολογισμούς για μεγάλα συστήματα δεκάδων χιλιάδων ατόμων με ακρίβεια ανάλογη των άμεσων κβαντομηχανικών υπολογισμών (DFT), αλλά χωρίς να απαιτούνται τεράστιοι υπολογιστικοί πόροι.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Computational Materials Science.
Εκπαίδευση του μοντέλου κατά τη λειτουργία
Η μεθοδολογία βασίζεται σε δυναμικά τανυστών ροπής (MTPs), τα οποία εκπαιδεύονται με δεδομένα από υπολογισμούς θεωρίας λειτουργικού πυκνότητας (DFT). Κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης, το σύστημα εντοπίζει αυτόματα τοπικά ατομικά περιβάλλοντα όπου οι προβλέψεις ενέργειας γίνονται αναξιόπιστες. Στη συνέχεια, τα απομονώνει και τα στέλνει για πρόσθετους υπολογισμούς DFT, διευρύνοντας σταδιακά το πεδίο εφαρμογής του.
Οι συγγραφείς εφάρμοσαν αυτή την προσέγγιση σε συνθετικά υλικά καρβιδίου του βολφραμίου και κοβαλτίου (WC-Co), γνωστά για την υψηλή σκληρότητα και την αντοχή τους στη θραύση.
Από τα ατομικά ελαττώματα στα συνθετικά υλικά
Η προσέγγιση επιτρέπει τη μοντελοποίηση μεγάλων πολυκρυσταλλικών και συνθετικών συστημάτων, συμπεριλαμβανομένων ελαττωμάτων και ορίων κόκκων που είναι απρόσιτα στους άμεσους υπολογισμούς DFT. Η μέθοδος είναι εφαρμόσιμη σε ευρύ φάσμα ετερογενών υλικών, από κεραμικά και μεταλλοκεραμικά έως νανοδομημένα συνθετικά υλικά.
«Η άμεση μοντελοποίηση ετερογενών συστημάτων μέσω DFT είναι αδύνατη λόγω περιορισμών στον αριθμό των ατόμων», εξήγησε ο Alexander Kvashnin, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας. «Η προτεινόμενη προσέγγιση επιλύει αυτό το πρόβλημα, προσφέροντας στους μηχανικούς ένα εργαλείο για τον προγνωστικό υπολογισμό ιδιοτήτων χωρίς δαπανηράπειράματα».
Παρακολούθηση της συμπεριφοράς των υλικών
Χρησιμοποιώντας το WC-Co ως παράδειγμα, η ομάδα έδειξε πώς η μέθοδος επιτρέπει την ποσοτική περιγραφή της μετάβασης από την εύθραυστη στη φορμαρίσιμη συμπεριφορά καθώς αυξάνεται η περιεκτικότητα σε κοβάλτιο.
«Τέτοια δεδομένα είναι σημαντικά για το σχεδιασμό υλικών με βέλτιστη ισορροπία σκληρότητας και αντοχής. Η προσέγγισή μας είναι καθολική», σημείωσε ο Faridun Jalolov, πρώτος συγγραφέας της μελέτης.
