Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Một phương pháp mới để khám phá các vật liệu sử dụng phân tích dữ liệu và kính hiển vi điện tử đã tìm thấy một lớp hợp kim cực kỳ cứng mới. Những vật liệu như vậy có khả năng chịu được tác động nghiêm trọng từ đạn, giúp bảo vệ tốt hơn cho binh sĩ trong chiến đấu.
Một phương pháp mới để khám phá các vật liệu sử dụng phân tích dữ liệu và kính hiển vi điện tử đã tìm thấy một lớp hợp kim cực kỳ cứng mới. Những vật liệu như vậy có khả năng chịu được tác động nghiêm trọng từ đạn, do đó giúp bảo vệ binh sĩ tốt hơn trong chiến đấu. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Lehigh mô tả phương pháp và phát hiện trong một bài báo, “Tin học vật liệu để sàng lọc các yếu tố đa nguyên tắc và hợp kim Entropy cao”, xuất hiện ngày hôm nay trên tạp chí Nature Communications .
“Chúng tôi đã sử dụng tin học vật liệu – ứng dụng các phương pháp của khoa học dữ liệu vào các vấn đề vật liệu – để dự đoán một loại vật liệu có tính chất cơ học vượt trội”, tác giả chính Jeffrey M. Rickman, giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật và vật lý cho biết. Lớp ’61 Giáo sư tại Đại học Lehigh.
Các nhà nghiên cứu cũng sử dụng các công cụ thí nghiệm, như kính hiển vi điện tử, để hiểu rõ hơn về các cơ chế vật lý dẫn đến hành vi quan sát được trong lớp vật liệu được gọi là hợp kim entropy cao (HEAs). Hợp kim entropy cao chứa nhiều yếu tố khác nhau, khi kết hợp lại, có thể dẫn đến các hệ thống có các tính chất cơ học và nhiệt có lợi và đôi khi bất ngờ. Vì lý do đó, họ hiện đang là đối tượng của nghiên cứu mạnh mẽ.
“Chúng tôi nghĩ rằng các kỹ thuật mà chúng tôi đã phát triển sẽ hữu ích trong việc xác định các HEA đầy triển vọng,” Rickman nói. “Tuy nhiên, chúng tôi đã tìm thấy các hợp kim có giá trị độ cứng vượt quá mong đợi ban đầu của chúng tôi. Giá trị độ cứng của chúng là khoảng 2 lần so với các hợp kim entropy cao điển hình khác và các hợp kim nhị phân tương đối cứng khác.”
Tất cả bảy tác giả đến từ Đại học Lehigh, bao gồm Rickman; Helen M. Chan, Giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu kẽm New Jersey; Martin P. Harmer, Giáo sư khoa học và kỹ thuật tài liệu của Alcoa Foundation; Joshua Smeltzer, sinh viên tốt nghiệp ngành khoa học vật liệu và kỹ thuật; Christopher Marvel, nghiên cứu sau tiến sĩ về khoa học vật liệu và kỹ thuật; Ankit Roy, sinh viên tốt nghiệp ngành cơ khí và cơ khí; và Ganesh Balasubramanian, trợ lý giáo sư cơ khí và cơ khí.
Sự gia tăng của hợp kim Entropy cao và phân tích dữ liệu
Các lĩnh vực của entropy cao, hoặc yếu tố đa hiệu trưởng, gần đây đã chứng kiến sự tăng trưởng theo cấp số nhân. Các hệ thống này đại diện cho một sự thay đổi mô hình trong phát triển hợp kim, vì một số thể hiện cấu trúc mới và tính chất cơ học vượt trội, cũng như tăng cường khả năng chống oxy hóa và tính chất từ tính, so với các hợp kim thông thường. Tuy nhiên, việc xác định các HEA đầy triển vọng đã đưa ra một thách thức khó khăn, với bảng màu rộng lớn gồm các yếu tố và sự kết hợp có thể tồn tại.
Các nhà nghiên cứu đã tìm cách xác định các tổ hợp và thành phần nguyên tố dẫn đến hợp kim có độ bền cao, độ cứng cao và các phẩm chất mong muốn khác, là một tập hợp tương đối nhỏ của số lượng lớn HSA tiềm năng có thể được tạo ra.
Trong những năm gần đây, tin học vật liệu, ứng dụng khoa học dữ liệu vào các vấn đề trong khoa học vật liệu và kỹ thuật, đã nổi lên như một công cụ mạnh mẽ để khám phá và thiết kế vật liệu. Lĩnh vực tương đối mới này đã có tác động đáng kể đến việc giải thích dữ liệu cho nhiều hệ thống vật liệu khác nhau, bao gồm cả các hệ thống được sử dụng trong nhiệt điện, ferroelectrics, cực dương pin và catốt, vật liệu lưu trữ hydro và điện môi polymer.
“Tạo ra các tập dữ liệu lớn trong khoa học vật liệu, đặc biệt, đang thay đổi cách nghiên cứu trong lĩnh vực này bằng cách tạo cơ hội để xác định các mối quan hệ phức tạp và trích xuất thông tin sẽ cho phép khám phá và thiết kế vật liệu xúc tác mới,” Rickman nói. Các công cụ của khoa học dữ liệu, bao gồm thống kê đa biến, học máy, giảm kích thước và trực quan hóa dữ liệu, đã dẫn đến việc xác định các mối quan hệ xử lý thuộc tính cấu trúc, sàng lọc các hợp kim đầy hứa hẹn và mối tương quan của cấu trúc vi mô với các tham số xử lý.
Nghiên cứu của Đại học Lehigh đóng góp vào lĩnh vực tin học vật liệu bằng cách chứng minh rằng bộ công cụ này cực kỳ hữu ích để xác định các tài liệu đầy hứa hẹn trong số vô số khả năng. “Những công cụ này có thể được sử dụng trong nhiều bối cảnh để thu hẹp không gian tham số thử nghiệm lớn để tăng tốc tìm kiếm vật liệu mới,” Rickman nói.
Phương pháp mới kết hợp các công cụ bổ sung
Các nhà nghiên cứu của Đại học Lehigh đã kết hợp hai công cụ bổ sung để sử dụng chiến lược học tập có giám sát để sàng lọc hiệu quả các hợp kim entropy cao và để xác định HEA đầy triển vọng: (1) phân tích tương quan chính tắc và (2) thuật toán di truyền với phân tích tương quan chính tắc- cảm hứng chức năng tập thể dục.
Họ đã thực hiện quy trình này bằng cách sử dụng cơ sở dữ liệu chứa thông tin thuộc tính cơ học và làm nổi bật các hợp kim mới có độ cứng cao. Phương pháp được xác nhận bằng cách so sánh độ cứng dự đoán với hợp kim được chế tạo trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng nóng chảy hồ quang, xác định hợp kim có độ cứng đo rất cao.
“Các phương pháp được sử dụng ở đây liên quan đến một sự kết hợp mới lạ của các phương pháp hiện có thích ứng với vấn đề hợp kim entropy cao,” Rickman nói. “Ngoài ra, các phương pháp này có thể được khái quát để khám phá, ví dụ, hợp kim có các đặc tính mong muốn khác. Chúng tôi tin rằng phương pháp của chúng tôi, dựa trên khoa học dữ liệu và đặc tính thử nghiệm, có khả năng thay đổi cách các nhà nghiên cứu khám phá các hệ thống như vậy. “
Nghiên cứu được tài trợ bởi Văn phòng Nghiên cứu Hải quân với sự hỗ trợ từ Sáng kiến Giao diện Nano / Con người của Đại học Lehigh.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Lehigh . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :