Сверхтвердые материалы ищут из-за их гибкости. Это не понимается с точки зрения гибкости, но с точки зрения того, что эти сверхтвердые материалы могут быть использованы для строительства. Например, покрытие, устойчивое к царапинам, может найти множество применений. Это означает, что поиск большего количества этих материалов является одним из главных приоритетов для ученых. Вот где приходит команда из Университета Буффало с использованием искусственного интеллекта для определения сорока трех типов углерода, которые ранее были неизвестны.
Эти формы углерода считаются стабильными и сверхтвердыми. Однако эти 43 углеродные структуры остаются теоретическими, а это означает, что они были предсказаны, но еще не созданы. Ева Зурек, химик из Университета Буффало, сказала: «В настоящее время алмазы являются самым твердым материалом, доступным на рынке, но они очень дороги. У меня есть коллеги, которые проводят эксперименты под высоким давлением в лаборатории, сжимая материалы между алмазами и жалуясь на то, насколько дорого обходится разбивание алмазов. Мы хотим найти что-то более сложное, чем бриллиант. Если бы вы могли найти другие твердые материалы, вы могли бы сделать их дешевле. Они также могут иметь полезные свойства, которых нет у алмазов. Возможно, они по-разному взаимодействуют с теплом или электричеством, например.
Как вы определяете твердость материала? Твердость материала определяется его способностью выдерживать удары. По словам Зурека, измерение твердости материала можно описать как «если вы попытаетесь выпустить материал заостренным концом, отверстие не будет сделано или отверстие будет очень маленьким». Твердость можно проверить с помощью теста твердости по Виккерсу, который использовался для измерения твердости материалов с 1925 года. Утверждается, что твердость выше, если материал пересекает отметку в 40 гигапаскалей, единиц, предназначенных для измерения давления.
Хотя все еще существует некоторая неопределенность в отношении расчетов, ученые считают, что гипотетические 43 материалы смогут получить более 40 в своих тестах на твердость по Виккерсу. Зурек объясняет: «Известно очень мало сверхтвердых материалов, поэтому интересно найти новые. Что мы знаем о сверхтвердых материалах, так это то, что они должны иметь прочную связь. Связи углерод-углерод очень прочные, поэтому мы смотрим на углерод. Другие элементы, которые обычно содержатся в сверхтвердых материалах, происходят из той же части периодической таблицы, например, бор и азот ».
Команда использовала XtalOpt для создания углеродных кристаллических структур, чтобы найти варианты сверхтвердого углерода. XtalOpt – это эволюционный алгоритм с открытым исходным кодом для предсказания кристаллической структуры, который был разработан в лаборатории Зурека. Другой алгоритм машинного обучения, который был обучен в базе данных Automatic FLOW (AFLOW), большой библиотеке материалов, твердость которых уже была определена, использовался для определения твердости структур, созданных XtalOpt.
Стефано Куртаролор, доктор философии, профессор машиностроения и материаловедения в Университете Дьюка, сказал: «Это ускоренное развитие материалов. Это всегда займет время, но мы используем AFLOW и машинное обучение, чтобы значительно ускорить процесс. Алгоритмы обучаются, и если вы хорошо обучили модель, алгоритм будет предсказывать свойства материала, в данном случае твердость, с разумной точностью.
Соавтор исследования Кормак Тохер, доктор философии и доцент исследований в области машиностроения и материаловедения в Университете Дьюка, сказал: «Вы можете брать самые предсказуемые материалы, используя вычислительные методы, и делать их экспериментально».
