學者構建新型材料網絡助力非晶合金的高效開發

松山湖材料實驗室張世允博士、劉松靈博士等在研究員胡遠超/汪衛華等指導下，提出材料網絡科學的新方法，構建了針對二元和三元非晶合金的材料網絡，以推動非晶合金的高效開發。相關成果近日發表于《國家科學評論》（National Science Review）。

二元與三元非晶合金的材料網絡構建與挖掘。研究團隊，下同

非晶合金的研制高度依賴組成元素與合金成分。由于合金材料以共價鍵作用為主導，形成三維空間密堆結構具有較強驅動力，這使得金屬材料玻璃形成能力有限，即臨界冷卻速率較高，因而通常非晶合金樣品尺寸有限。多組元往往是設計和開發高性能非晶合金的必要條件，但多組元特性會大幅增加材料樣本空間，給材料優化設計帶來巨大挑戰，增加材料開發各項成本。因此，如何高效開發新型非晶合金，成為該領域的關鍵科學與技術難題。

當前，人工智能技術的發展為材料開發帶來新機遇與動力。數據驅動的材料研制是熱門研究方向，即從已積累的數據中挖掘隱藏的材料設計線索。截至目前，監督式機器學習方法在全球范圍內廣泛應用，其基本原理是構建實驗數據數字化特征與目標性能在高維空間中的映射關系。材料特征構建主要通過綜合組成元素和合金的物理化學等性能參數實現。如何利用先進數據科學方法處理材料小數據問題，成為下一個研究重點。

三元非晶合金的動態材料網絡挖掘。

研究人員對過去60年實驗開發的非晶合金數據進行整理、收集與清洗。與傳統圖表式研究模式不同，他們構建了針對二元和三元非晶合金的材料網絡。深入挖掘這些材料網絡后發現，其拓撲結構包含諸多傳統研究方法無法識別的隱藏材料關聯信息。針對三元非晶合金的網絡結構，其全連接子圖可為多組元合金材料設計提供思路。

與此同時，研究人員通過構建動態材料網絡，分析了過去幾十年非晶合金開發的動態演化信息，從材料開發歷史中探尋材料研制規律。結果表明，在科學知識和經驗積累基礎上開發非晶合金，容易陷入“創新陷阱”，即后續開發的非晶合金材料早已嵌入材料網絡。這一發現也表明，材料網絡的拓撲結構分析可有效指導實驗設計。不同尺度的材料網絡之間子結構單元能夠相互預測，例如，二元非晶合金材料網絡中的三角形可有效預測三元非晶合金。該方案能大幅降低材料空間復雜度，為復雜合金體系開發提供新思路。

此外，這些材料網絡均遵循“異常無標度性”特性，與“互聯網”等無標度網絡結構存在差異。其根源在于，材料網絡具有“物理約束”，即其節點個數有上限，但連接邊的增長不受限制，這導致子結構（邊或三角形）數目增長速度遠超節點個數增長速度。該現象在日常生活中較為常見，如航線網絡、郵箱網絡等。這些研究表明材料網絡與其他網絡具有諸多相似性，未來有望推動交叉學科發展，激發創新科學思維。

相關論文信息：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf398