了解難熔氧化物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對(duì)于高溫應(yīng)用至關(guān)重要。鑄鐵在1200攝氏度左右熔化。不銹鋼的熔化溫度約為1,520攝氏度。如果想將這些材料成型為日常物品，例如廚房的煎鍋或醫(yī)生使用的外科工具，需要使用即使在極端溫度下也能承受的物品來制造爐子和模具。這就是難熔氧化物的來源。但是考慮到使用這些材料的環(huán)境往往非常危險(xiǎn)，科學(xué)家們希望在這些材料制成的部件在現(xiàn)實(shí)世界中遇到這些溫度之前，盡可能多地了解它們?cè)诟邷叵聲?huì)發(fā)生什么。因此，來自阿貢的幾個(gè)學(xué)科的科學(xué)家聯(lián)合起來，創(chuàng)造了一種測(cè)試和預(yù)測(cè)高溫對(duì)難熔氧化物影響的新方法。

耐火氧化物是高溫陶瓷材料、熱障涂層和核應(yīng)用開發(fā)中必不可少的成分。它們的高熔化溫度（Tm> 1500°C）除了具有絕緣性能和防止氧化的能力外，還使耐火材料適用于惡劣環(huán)境。因此，確定接近熔點(diǎn)的相變和結(jié)構(gòu)重排非常重要。衍射在使用CALPHAD方法計(jì)算相圖和熱化學(xué)中起著重要作用，而CALPHAD方法已經(jīng)成為通過計(jì)算吉布斯自由能提供一致的材料穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)。特別是X射線粉末衍射是材料表征的主要工具，可提供有關(guān)結(jié)晶相、熱膨脹以及與不同氣氛中的相變相關(guān)的體積變化的數(shù)據(jù)。中子粉末衍射還提供了有價(jià)值的結(jié)構(gòu)信息，尤其是在氧氣等較輕的元素上，但通常需要更大的樣本和更長的計(jì)數(shù)時(shí)間。但是，在溫度> 2000°C的情況下，幾乎沒有適合進(jìn)行X射線和中子衍射實(shí)驗(yàn)的容器。在過去的十年中，空氣懸浮和激光加熱技術(shù)與高能X射線和中子衍射相結(jié)合的發(fā)展已將晶體學(xué)測(cè)量推向1500°C以上，從而在較寬的相空間范圍內(nèi)提供了準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

在計(jì)算建模方面，從頭算分子動(dòng)力學(xué)模擬（AIMD）提供了具有量子力學(xué)精度的原子尺度分辨率，但僅限于較短的模擬時(shí)間和較小的系統(tǒng)尺寸�；�于固定的解析函數(shù)形式的經(jīng)驗(yàn)性原子間電勢(shì)源自物理或化學(xué)直覺，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)性質(zhì)或從頭算來進(jìn)行參數(shù)化，但缺乏復(fù)雜性以捕獲達(dá)到從頭算的準(zhǔn)確性所需要的多體相互作用。近年來，將量子力學(xué)計(jì)算與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的進(jìn)展已產(chǎn)生了一類新的原子間勢(shì)，該勢(shì)能直接從參考從頭算數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)勢(shì)能表面態(tài)勢(shì)。機(jī)器學(xué)習(xí)的原子間電勢(shì) (Machine learning interatomic potentials, ML-IP) 可以保持從頭算的準(zhǔn)確性，同時(shí)在較大的系統(tǒng)尺寸（通過線性縮放）和時(shí)間尺度上可提供與經(jīng)典原子間電勢(shì)相當(dāng)?shù)脑�子分辨率。特別是，基于高斯近似勢(shì) (Gaussian approximation potential, GAP) 的ML-IP已成功應(yīng)用于液體模型、晶體、缺陷、無定形的多組分材料和分子。訓(xùn)練ML-IP需要有效地從廣泛的化學(xué)空間中提取配置，并找到最佳的超參數(shù)。主動(dòng)學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)子領(lǐng)域，其中無監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)會(huì)以最少的訓(xùn)練配置數(shù)量達(dá)到最佳的有監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)模型（即ML-IP）。

來自美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室多個(gè)學(xué)科的研究人員在Physical Review Letters期刊上報(bào)告了一個(gè)活躍的學(xué)習(xí)者，該學(xué)習(xí)者依靠利用嵌入給定的未標(biāo)記原子配置中的簇結(jié)構(gòu)來獲得最少數(shù)量的訓(xùn)練配置。在該研究中，研究人員建議通過如圖1所示的閉環(huán)主動(dòng)學(xué)習(xí)方案，將極端條件下的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展和理論建模結(jié)合在一起。研究人員的方案包括三個(gè)部分：（1）在不超過熔融溫度的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量難熔氧化物樣品。模型結(jié)構(gòu)適合于在不同參考溫度下每個(gè)相的中子和X射線衍射測(cè)量。原位高能X射線衍射用于獲得隨溫度變化的晶胞體積。（2）通過模型結(jié)構(gòu)初始化的主動(dòng)學(xué)習(xí)方案驅(qū)動(dòng)了在實(shí)驗(yàn)測(cè)量區(qū)域上的相空間探索。（3）生成的ML-IP可以通過主動(dòng)學(xué)習(xí)方案進(jìn)行迭代改進(jìn)。為了說明這種方法，研究人員考慮了原型耐火氧化物，二氧化鉿HfO2（與ZrO2陶瓷研究最多的同質(zhì)結(jié)構(gòu)）。加熱后，HfO2經(jīng)歷從單斜晶相（m-HfO2）到四方晶相（t-HfO2）到立方相（c-HfO2）的轉(zhuǎn)變，然后在〜2800°C熔化。

圖1. 實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)的工作流程。(1) 使用單軸激光加熱系統(tǒng)在空氣動(dòng)力學(xué)懸浮的HfO2樣品上在寬溫度范圍內(nèi)測(cè)量實(shí)驗(yàn)性高能X射線和中子衍射圖。(2) 基于集群的主動(dòng)學(xué)習(xí)可以在廣泛的相空間中進(jìn)行探索。(3) 迭代訓(xùn)練和擬合方法提供對(duì)(2)的反饋。

計(jì)算科學(xué)家與Argonne X射線科學(xué)部的物理學(xué)家Chris Benmore和助理物理學(xué)家Leighanne Gallington進(jìn)行了合作。Benmore和Gallington在Argonne的DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室Advanced Photon Source（APS）工作，該裝置產(chǎn)生非常明亮的X射線束，以照亮材料的結(jié)構(gòu)。他們?cè)诒緦?shí)驗(yàn)中使用的光束線使他們能夠在極端條件下（例如高溫）檢查材料的局部和遠(yuǎn)距離結(jié)構(gòu)。

當(dāng)然，加熱難熔氧化物（在這種情況下為熔化在約2870攝氏度的二氧化鉿）會(huì)帶來自身的復(fù)雜性。通常，樣品會(huì)放在一個(gè)容器中，但是沒有一個(gè)能承受這些溫度并且仍然允許X射線穿過它們。而且您甚至不能將樣品放在桌子上，因?yàn)樽雷訒?huì)在樣品熔化之前融化。

圖2. 用于研究難熔氧化物在APS處熔點(diǎn)的空氣懸浮過程的圖示。在X射線檢查其結(jié)構(gòu)之前，一小串材料被氣體漂浮，并被高架激光器加熱。

該解決方案稱為空氣懸浮，涉及科學(xué)家使用氣體將小的（直徑為2-3毫米）球形樣品懸浮在空氣中約1毫米的過程。

Gallington表示他們有一個(gè)與惰性氣體流相連的噴嘴，當(dāng)它懸浮樣品時(shí)，一臺(tái)400瓦的激光從上方加熱該材料。實(shí)驗(yàn)過程中需要調(diào)整氣流，讓它穩(wěn)定懸浮。并且不要把它放得太低，因?yàn)闃悠窌?huì)碰到噴嘴，并可能熔化。

一旦獲取了數(shù)據(jù)，并且束線科學(xué)家對(duì)氧化鉿融化后會(huì)發(fā)生的情況有了很好的了解，計(jì)算機(jī)科學(xué)家便將球拿走并隨心所欲地奔跑。Sivaraman將數(shù)據(jù)輸入兩組機(jī)器學(xué)習(xí)算法中，其中一組可以理解理論并可以做出預(yù)測(cè)，而另一組是主動(dòng)學(xué)習(xí)算法，可以充當(dāng)助教，只為第一個(gè)提供最有趣的數(shù)據(jù)和。主動(dòng)學(xué)習(xí)可以幫助其他類型的機(jī)器學(xué)習(xí)以更少的數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，假設(shè)用戶想從自己的房子走到市場(chǎng)。也許有很多方法可以到達(dá)那里，但是只需要知道最短的路徑即可。主動(dòng)學(xué)習(xí)將指出最短的路徑，并過濾掉其他的路徑。

計(jì)算是在ALCF和位于Argonne的實(shí)驗(yàn)室計(jì)算資源中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的。團(tuán)隊(duì)最終得到的是一種基于現(xiàn)實(shí)生活數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)生成的模型，該模型可以讓他們預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)者沒有或無法捕獲的事物。

Benmore表示他們具有所謂的多相電勢(shì)，它可以預(yù)測(cè)很多事情。研究人員現(xiàn)在可以繼續(xù)為您提供其他參數(shù)，例如它在高溫下保持形狀的程度，這是我們無法測(cè)量的。研究人員可以推斷出，如果溫度超出可達(dá)到的范圍，將會(huì)發(fā)生什么。

Benmore補(bǔ)充說：“該模型僅與您提供的數(shù)據(jù)一樣好，而您提供的數(shù)據(jù)越多，它就會(huì)變得越好。” “我們會(huì)提供盡可能多的信息，并且模型會(huì)變得更好。”

Sivaraman將這項(xiàng)工作描述為一種概念證明，可以反饋到進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中。他說，這是一個(gè)很好的例子，說明了阿貢國家大學(xué)不同部門之間的合作以及沒有國家實(shí)驗(yàn)室資源就無法完成的研究。

Sivaraman說：“我們將在其他材料上重復(fù)這一實(shí)驗(yàn)。” “我們的APS同事?lián)碛醒芯窟@些材料在極端條件下如何融化的基礎(chǔ)架構(gòu)，我們正在與計(jì)算機(jī)科學(xué)家合作開發(fā)軟件和流媒體基礎(chǔ)架構(gòu)，以快速大規(guī)模地處理這些數(shù)據(jù)集。我們可以將主動(dòng)學(xué)習(xí)納入框架并教授模型以使用ALCF超級(jí)計(jì)算機(jī)更有效地處理數(shù)據(jù)流。”

對(duì)于Stan來說，概念證明可以代替那些進(jìn)行這些精確計(jì)算的人所需要的乏味工作。他在職業(yè)生涯中就已經(jīng)觀察到了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，而現(xiàn)在曾經(jīng)花了幾個(gè)月的時(shí)間只需要幾天。他笑著說：“我并不是說人類并不出色，但是如果我們從計(jì)算機(jī)和軟件中獲得幫助，我們將會(huì)變得更強(qiáng)大。這為開展更多這樣的科學(xué)實(shí)驗(yàn)打開了大門。”