伊利諾伊大學(xué)香檳分校的研究人員將多組分合金中的擴(kuò)散分解成他們稱之為“kinosons”的獨(dú)立元素，從而對(duì)其進(jìn)行了重新定義。他們利用機(jī)器學(xué)習(xí)分析了這些元素的統(tǒng)計(jì)分布，從而能夠?qū)辖疬M(jìn)行建模，并比計(jì)算整個(gè)軌跡更有效地確定其擴(kuò)散率。他們的研究成果最近發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。
領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)工作的材料科學(xué)與工程教授 Dallas Trinkle 和研究生 Soham Chattopadhyay 說道：“我們找到了一種更有效的方法來計(jì)算固體中的擴(kuò)散，同時(shí)，我們了解了更多關(guān)于同一系統(tǒng)中擴(kuò)散的基本過程。”
在這里，該團(tuán)隊(duì)模擬了多組分合金中的擴(kuò)散，多組分合金是由五種不同元素組成的金屬——本研究中的元素為錳、鈷、鉻、鐵和鎳——含量相等。這類合金很有趣，因?yàn)橹圃靾?jiān)固材料的一種方法是將不同的元素混合在一起，比如將碳和鐵混合制成鋼。多組分合金具有獨(dú)特的性能，例如良好的機(jī)械性能和高溫穩(wěn)定性，因此了解原子在這些材料中的擴(kuò)散方式非常重要。
復(fù)雜系統(tǒng)中一系列與“轉(zhuǎn)換”(線)相連的“狀態(tài)”(點(diǎn))。較大的點(diǎn)表示在模擬過程中花費(fèi)更多時(shí)間的狀態(tài)，較粗的線表示轉(zhuǎn)換速度更快。查看具有許多跳躍的長(zhǎng)軌跡需要大量的計(jì)算工作;機(jī)器學(xué)習(xí)模型將這個(gè)系統(tǒng)(左)轉(zhuǎn)換為具有相同擴(kuò)散行為但擴(kuò)散計(jì)算要簡(jiǎn)單得多的等效系統(tǒng)(右)。在不相關(guān)的系統(tǒng)中，每次跳躍都對(duì)應(yīng)一個(gè)“激子”，對(duì)擴(kuò)散的貢獻(xiàn)很小，所有激子的總和給出了擴(kuò)散率。圖片來源：伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校格蘭杰工程學(xué)院
為了更好地觀察擴(kuò)散，需要很長(zhǎng)的時(shí)間尺度，因?yàn)樵訒?huì)隨機(jī)移動(dòng)，隨著時(shí)間的推移，它們與起點(diǎn)的位移會(huì)增加。“如果有人試圖模擬擴(kuò)散，那會(huì)很麻煩，因?yàn)槟惚仨氝\(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間才能獲得完整的圖像，”特林克爾說。“這確實(shí)限制了我們研究擴(kuò)散的很多方式。計(jì)算躍遷速率的更精確的方法通常無法使用，因?yàn)槟銦o法進(jìn)行足夠多的模擬步驟來獲得長(zhǎng)期軌跡并獲得合理的擴(kuò)散值。”
一個(gè)原子可能會(huì)跳到左邊，但隨后又可能會(huì)跳回右邊。在這種情況下，原子并沒有移動(dòng)?，F(xiàn)在，假設(shè)它跳到左邊，然后又發(fā)生了 1000 件其他事情，然后它又跳回右邊。這是同樣的效果。特林克爾說：“我們稱之為相關(guān)性，因?yàn)樵谀骋粫r(shí)刻，原子進(jìn)行了一次跳躍，然后又取消了那次跳躍。這就是擴(kuò)散復(fù)雜的原因。當(dāng)我們研究機(jī)器學(xué)習(xí)如何解決問題時(shí)，它真正做的是將問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)沒有任何相關(guān)跳躍的問題。”
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