La diffusione degli elementi leggeri nei metalli è stata modellata in modo efficiente dai ricercatori di A*STAR utilizzando un approccio di apprendimento automatico.

Diffusione allo stato solido, in cui gli atomi migrano attraverso il reticolo di un materiale ospite, è alla base di una serie di importanti processi che vanno da indesiderabili (corrosione) a utili (processi di giunzione dei metalli). In un meccanismo chiamato "diffusione interstiziale", " elementi leggeri, come l'azoto, si muovono attraverso reticoli formati da atomi molto più grandi, come metalli, stringendo tra di loro. Yingzhi Zeng e i colleghi dell'A*STAR Institute of High Performance Computing hanno ora sviluppato un modello predittivo rapido per questo fenomeno.

"Esempi tipici di diffusione interstiziale includono l'indurimento superficiale dell'acciaio tramite carburazione o nitrurazione, e la diffusione dell'ossigeno nel titanio per la progettazione di impianti e leghe aerospaziali, " dice Zeng. Questo processo è importante da capire, ma particolarmente difficile da sondare sperimentalmente. La sfida nasce dall'attrezzatura specializzata per impieghi gravosi spesso richiesta, e perché come spiega Zeng, "la maggior parte delle tecniche sperimentali si basa su misurazioni di superficie, e quindi sono intrinsecamente limitati a pochi nanometri sotto la superficie."

Gli studi computazionali possono aggirare queste difficoltà tecniche; metodi basati sul primo principio hanno dimostrato di prevedere in modo affidabile i tassi di trasporto per diffusione, ma richiedono molto tempo. Yingzhi Zeng e collaboratori hanno notevolmente accelerato i calcoli delle energie di attivazione della diffusione, l'energia necessaria affinché un elemento luminoso si muova attraverso il reticolo ospite, attraverso l'apprendimento automatico.

Hanno prima "addestrato" un modello su un insieme di dati esistenti, costituito da energie di attivazione sperimentali integrate con calcoli del primo principio. Il set di dati è stato selezionato per coerenza:ad esempio sono state considerate solo alte temperature e piccole concentrazioni di soluti. 94 sistemi sono stati utilizzati, ciascuno costituito da un soluto (boro, carbonio, ossigeno o azoto) diffondendo attraverso un ospite metallico adottando una delle tre disposizioni reticolari più diffuse:centro del corpo cubico (bcc), cubica a facce centrate (fcc) o esagonale compatta (hcp).

L'accuratezza del modello è stata verificata utilizzandolo per prevedere energie di attivazione note, e confrontare i risultati calcolati con i valori sperimentali. È stato poi utilizzato per calcolare le energie di attivazione per i sistemi per i quali non sono stati riportati dati sperimentali. "I nostri risultati previsti hanno offerto grandi quantità di dati affidabili:554 nuovi set di dati di diffusione che coprono quasi tutti i metalli nella tavola periodica con le tre strutture cristalline comuni di bcc, fc, e hcp:per le condizioni più comunemente utilizzate negli esperimenti, " dice Zeng.

L'obiettivo immediato dello studio è duplice:continuare a prevedere le velocità di trasporto dei materiali, e per ottenere informazioni sui fattori che guidano il processo di diffusione. Ma la squadra non si fermerà qui. "Stiamo progettando di sviluppare un database di mobilità per la simulazione della microstruttura dei materiali, " dice Zeng.