利用人工智能对材料性能进行工程设计

利用人工智能对材料性能进行工程设计

对一块半导体或其他晶体材料施加一点应变就能使其结构中原子的有序排列变形到足以引起其性能的剧烈变化,如导电、透光或导热的方式。

图片说明:研究人员发现,在金刚石或硅等晶体材料中引入少量的应变,会对其性能产生重大影响。机械应变在这里表示为金刚石形状的变形。图片:Chelsea Turner,麻省理工学院

现在,麻省理工学院、俄罗斯和新加坡的一组研究人员已经找到了利用人工智能来帮助预测和控制这些变化的方法,有可能为未来高科技设备的先进材料的研究开辟新的途径。

这项发现发表在本周的《美国国家科学院院院刊》上,发表在麻省理工学院核科学与工程教授、材料科学与工程教授朱丽(音译)、麻省理工学院首席研究科学家明道(音译)和麻省理工学院研究生哲石(音译)与伊夫根尼·茨巴洛夫(Evgeni Tsymbalov)和亚历山大·沙佩夫(Alexander Shapev)在斯科尔科沃学院(Skolkovo Instit)的论文中。俄罗斯科技大学的尤特和苏拉苏雷什,曾任麻省理工学院工程系名誉教授、现任新加坡南洋理工大学校长。

基于麻省理工学院早期的研究,一些硅处理器芯片已经加入了一定程度的弹性应变。在某些情况下,即使结构发生1%的变化,也能使电子更快地穿过材料,从而使器件的速度提高50%。

Suresh、Dao和Yang Lu是麻省理工学院(MIT)前博士后,现在在香港城市大学(City University of Hong Kong)从事的最新研究表明,即使是自然界中最坚固、最坚硬的钻石,当其以纳米大小的针形存在时,其弹性拉伸也能达到9%而不会失效。李和杨同样证明了纳米硅线可以纯弹性拉伸15%以上。这些发现为探索如何在材料性能发生更大变化的情况下制造器件开辟了新的途径。

按订单应变

与其他改变材料性能的方法不同,比如化学掺杂,它会产生永久的静态变化,应变工程允许动态改变材料的性能。“压力是一种可以动态开启和关闭的东西,”李说。

但是,应变工程材料的潜力受到各种各样的可能性的阻碍。应变可以用六种不同的方法中的任何一种(在三个不同的维度中,每一个维度都可以产生进出或侧向的应变),并且具有几乎无限的程度梯度,因此,仅仅通过试验和错误来探索各种可能性是不切实际的。“如果我们想绘制出整个弹性应变空间,它很快就会增长到1亿次计算,”李说。

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