Maskinlæring forudsagde et superhårdt wolframnitrid med høj energidensitet

Selvom maskinlæring har været vellykket i mange aspekter, dets anvendelse i forudsigelser af krystalstruktur og materialedesign er stadig under udvikling. For nylig, Prof. Jian Suns gruppe ved Institut for Fysik, Nanjing Universitet, implementeret en maskinlæringsalgoritme i krystalstruktursøgningsmetoden. De brugte en maskinlæringsalgoritme til at beskrive den potentielle energioverflade og brugte den til at filtrere krystalstrukturerne, forbedring af søgeeffektiviteten af ​​forudsigelse af krystalstruktur.

Hybride forbindelser af overgangsmetaller og lette grundstoffer, især overgangsmetalnitrider, er blevet bredt undersøgt for deres høje inkompressibilitet og bulkmodul. Imidlertid, superhårde wolframnitrider (Vickers hårdhed over 40 GPa) er endnu ikke fundet. Energibåndene bidraget med d-valenselektroner fra wolframatomer kan nemt krydse fermi-energiniveauet, og metalliciteten fører til stor reduktion af deres hårdhed. Derfor, at designe ikke-metalliske wolframnitrid krystalstrukturer synes at være en lovende måde at opnå fremragende mekaniske egenskaber såsom superhårdhed.

Baseret på tidligere forskning, et samarbejde ledet af prof. Jian Sun og prof. Hui-Tian Wang ved Institut for Fysik, Nanjing Universitet, opsummerede tre træk til at designe superhårde hybridforbindelser af overgangsmetal og lette elementer:højtryksstabil og omgivende tryk metastabil krystalstruktur, ikke-metalliske elektroniske strukturer, og et stort forhold af lette elementer. Disse egenskaber inspirerede dem til at designe nitrogenrige wolframnitrider indeholdende specielle nitrogenbaserede basiskonfigurationer, såsom ringe, kæder, netværk og rammer, osv. Baseret på disse designregler og den nyudviklede maskinlæringsmetode til krystalstruktursøgning, de har med succes forudsagt en ikke-metallisk nitrogenrig wolframnitrid h-WN6. Det har en sandwich-lignende struktur dannet af nitrogen seks-leddet ring og wolfram atomer.

Elektronlokaliseringsfunktionen og Bader ladningsanalyse indikerer, at h-WN6 er en ionisk krystal indeholdende stærke N-N kovalente bindinger. Det kan være stabilt ved høje tryk og metastabilt ved omgivende tryk. I øvrigt, den har en lille, indirekte energigab og unormal spalteudvidelsesadfærd under kompression. (se krystalstrukturen, elektroniske strukturer og højtryksadfærden i den vedhæftede figur). Mere interessant, h-WN6 anslås at være den hårdeste blandt de hidtil kendte overgangsmetalnitrider, med en Vickers hårdhed omkring 57 GPa og har også en ret høj smeltetemperatur på omkring 1, 900 K. Desuden deres beregninger viser også, at denne nitrogenrige forbindelse kan betragtes som et potentielt materiale med høj energitæthed på grund af den gode gravimetriske (3,1 kJ/g) og volumetriske (28,0 kJ/cm) ³ ) energitætheder.

Forskerne udviklede en maskinlærings-accelereret krystalstruktursøgningsmetode, opsummerede designreglerne for superhårde overgangsmetal-lyselementforbindelser, og forudsagde et superhårdt wolframnitrid med høj energidensitet med god termisk stabilitet. Undersøgelsen vil stimulere det teoretiske design og eksperimentelle syntese af denne form for overgangsmetalmateriale med potentiel anvendelsesværdi. Dette vil også berige familien af ​​superhårde materialer og kan bruges som reference til at forstå oprindelsen af ​​hårdhed.