High-throughput computermodel forudsiger diffusionsdata for transporten af ​​lette elementer i faste stoffer

Spredningen af ​​lette elementer til metaller er blevet effektivt modelleret af A*STAR-forskere ved hjælp af en maskinlæringstilgang.

Faststofdiffusion, hvor atomer migrerer gennem gitteret af et værtsmateriale, understøtter en række vigtige processer, der spænder fra uønsket (korrosion) til nyttige (metalsammenføjningsprocesser). I en mekanisme kaldet 'interstitiel diffusion, "lette elementer, såsom nitrogen, bevæge sig gennem gitter, der består af meget større atomer, såsom metaller, ved at klemme mellem dem. Yingzhi Zeng og kolleger ved A*STAR Institute of High Performance Computing har nu udviklet en hurtig forudsigelsesmodel for dette fænomen.

"Typiske eksempler på interstitiel diffusion omfatter overfladehærdning af stål gennem karburering eller nitridering, og diffusionen af ​​ilt i titanium til design af implantat- og rumfartslegeringer, " siger Zeng. Denne proces er vigtig at forstå, men særligt vanskeligt at undersøge eksperimentelt. Udfordringen stammer fra det tunge specialudstyr, der ofte kræves, og fordi som Zeng forklarer, "De fleste eksperimentelle teknikker er afhængige af overflademålinger, og er derfor i sagens natur begrænset til et par nanometer under overfladen."

Beregningsstudier kan omgå disse tekniske vanskeligheder; Det første princip har vist sig at kunne forudsige diffusionstransporthastigheder, men de er tidskrævende. Yingzhi Zeng og kolleger har dramatisk fremskyndet beregninger af diffusionsaktiveringsenergier - den energi, der kræves for et let element til at bevæge sig gennem dets værtsgitter - gennem maskinlæring.

De 'trænede' først en model på et sæt eksisterende data, bestående af eksperimentelle aktiveringsenergier suppleret med første-princip-beregninger. Datasættet blev udvalgt for konsistens:for eksempel blev kun høje temperaturer og små koncentrationer af opløst stof taget i betragtning. 94 systemer blev brugt, hver bestående af et opløst stof (bor, kulstof, oxygen eller nitrogen), der diffunderer gennem en metalvært, der anvender et af tre mest udbredte gitterarrangementer:kropscenter kubisk (bcc), ansigtscentreret kubisk (fcc) eller sekskantet tætpakket (hcp).

Nøjagtigheden af ​​modellen blev verificeret ved at bruge den til at forudsige kendte aktiveringsenergier, og sammenligning af de beregnede resultater med de eksperimentelle værdier. Det blev derefter brugt til at beregne aktiveringsenergier for systemer, for hvilke der ikke er rapporteret eksperimentelle data. "Vores forudsagte resultater har tilbudt store mængder pålidelige data - 554 nye sæt diffusionsdata, der dækker næsten alle metallerne i det periodiske system med de tre almindelige krystalstrukturer i bcc, fcc, og hcp - for de forhold, der er mest almindeligt anvendt i eksperimenter, " siger Zeng.

Det umiddelbare formål med undersøgelsen er todelt:at fortsætte med at forudsige transporthastigheder i materialer, og at få indsigt i de faktorer, der driver diffusionsprocessen. Men holdet stopper ikke der. "Vi planlægger at udvikle en mobilitetsdatabase til simulering af materialers mikrostruktur, " siger Zeng.