Forscher enthüllen neue Methode zur Berechnung mechanischer Eigenschaften von Festkörpern mithilfe maschinellen Lernens

Ein Forschungsteam von Skoltech stellte eine neue Methode vor, die maschinelles Lernen nutzt, um die Eigenschaften von Polykristallen, Verbundwerkstoffen und Mehrphasensystemen zu untersuchen. Dabei wurde eine hohe Genauigkeit erreicht, die fast so gut ist wie die quantenmechanischer Methoden, die nur auf Materialien mit weniger als einigen hundert Atomen anwendbar sind.

Die neue Methode profitiert auch vom aktiven Lernen lokaler atomarer Umgebungen. Das Papier ist veröffentlicht im Fortgeschrittene Theorie und Simulationen Tagebuch.

„Viele industrielle Materialien werden als Polykristalle oder Mehrphasensysteme synthetisiert. Sie enthalten sowohl einen Einkristall als auch amorphe Komponenten zwischen einzelnen Kristallkörnern. Die große Anzahl von Atomen macht es schwierig, die Eigenschaften dieser Systeme mit modernen quantenmechanischen Methoden zu berechnen. Dichtefunktional.“ Die Theorie lässt sich nur auf Materialien mit einigen hundert Atomen anwenden.“

„Um das Problem anzugehen, verwenden wir einen maschinellen Lernansatz, der auf Moment Tensor Potentials (MTP) basiert. Diese Potenziale wurden auch bei Skoltech unter der Leitung von Professor Alexander Shapeev entwickelt“, kommentierte Faridun Jalolov, der Hauptautor der Studie ein Skoltech Ph.D. Student im Studiengang Materialwissenschaft und Werkstofftechnik.

Im Vergleich zu anderen Lösungen sehen die Autoren das Potenzial der neuen Methode im aktiven Lernen in lokalen atomaren Umgebungen. Bei der Berechnung einer großen Struktur mit vielen hunderttausend Atomen erkennt das MTP, welches Atom bei den Berechnungen einen Fehler macht oder falsch berechnet wird. Der Grund dafür könnte der begrenzte Trainingsdatensatz sein, der verhindert, dass alle möglichen Systemkonfigurationen berücksichtigt werden.

Anschließend wird eine lokale Umgebung dieses Atoms „herausgeschnitten“ und seine Energie mithilfe der Quantenmechanik berechnet. Anschließend werden die Daten zum weiteren Lernen wieder zum Trainingssatz hinzugefügt. Während das Lernen im laufenden Betrieb fortschreitet, werden die Berechnungen fortgesetzt, bis sie auf eine andere Konfiguration stoßen, die in den Trainingsprozess einbezogen werden muss. Andere bekannte Möglichkeiten des maschinellen Lernens können nicht an kleinen lokalen Teilen großer Strukturen erlernt werden, was ihre Anwendbarkeit und Genauigkeit einschränkt.

„Als Beispiel haben wir die mechanischen Eigenschaften von Diamant-Polykristallen untersucht, den härtesten natürlich vorkommenden Materialien, die häufig in der Industrie verwendet werden – beispielsweise bei der Herstellung von Bohrgeräten für Ölquellen. Die Ergebnisse zeigen, dass die mechanischen Eigenschaften dieser polykristallinen Diamanten davon abhängen.“ hängt von der Korngröße ab – je größer das Korn, desto ähnlicher sind die Eigenschaften denen eines Einkristalldiamanten“, fuhr Jalolov fort.

Die Autoren wiesen darauf hin, dass dieser Ansatz es ermöglichen wird, die mechanischen Eigenschaften nichteinkristalliner Materialien zu untersuchen, die typischerweise synthetisiert und in Experimenten verwendet werden, sowie umfassende Studien zu polykristallinen Materialien und Verbundmaterialien durchzuführen und Daten zu erhalten, die den experimentellen Ergebnissen möglichst nahe kommen.

„Bei der tatsächlichen Verwendung werden häufig Materialien verwendet, bei denen es sich nicht um perfekte Kristalle handelt, da perfekte Kristalle die Anforderungen eines bestimmten Geräts nicht vollständig erfüllen können.“

„Ein gutes Beispiel dafür ist Wolframcarbid und Kobalt. Durch die Zugabe von Kobalt zu Wolframcarbid wird das Material rissbeständiger und macht es so wertvoll für Anwendungen. Mit der neuen Methode können wir die Ursachen und Möglichkeiten der Veränderung der Mechanik untersuchen.“ Eigenschaften dieser Mehrphasensysteme auf atomarer Ebene“, sagte Alexander Kvashnin, Forschungsleiter und Professor am Energy Transition Center.