想象一下，你要在茫茫人海中寻找最有影响力的那个人，社交网络分析可以帮你找到答案。那么，我们要在多种元素组合中，寻找最适合形成非晶合金的“黄金搭配”，是否也能为它们建立一个“社交网络”呢？

近日，松山湖材料实验室数据驱动材料科学研究团队张世允博士、刘松灵博士、胡远超研究员和汪卫华院士等在《国家科学评论》（National Science Review）上发表了一项有趣的研究，他们真的为非晶合金构建了一个“材料朋友圈”，并从中发现了隐藏的材料开发规律，为高效设计这种神奇材料提供了全新的“导航图”。

非晶合金：“多才多艺”却“十年难遇”的材料明星

非晶合金，也被称为“金属玻璃”，它像玻璃一样没有规则的原子排列结构，却又拥有金属的强度。这就让它兼具了钢铁的坚硬和玻璃的可塑性，是一种潜力巨大的新型前沿材料。然而，这位“材料明星”却非常难以“培养”——它通常需要将多种金属元素按特定比例混合，并在极快的冷却速度下才能形成，这导致它很难被制成较大尺寸，极大地限制了它的应用。高效开发新型金属玻璃是当前的研究热点和难点。

新思路：不为材料“建档案”，而为元素“牵红线”

传统的“试错法”研发模式，就像在黑暗的迷宫中摸索，成本高昂且效率低下。松山湖材料实验室的研究团队另辟蹊径。他们收集整理了过去60年来实验开发的非晶合金数据，别出心裁地构建了一个“材料网络”。在这个网络中，每个“节点”代表一种元素，每一条“连线”则代表这两个元素能够成功形成非晶合金。


图1 非晶合金的“元素关系网”

二元非晶合金的“材料网络”示意图。每个点代表一种元素，每条线代表这两个元素能形成非晶合金。网络结构揭示了元素间隐藏的“亲疏关系”。（a）计算模型；（b）3D-打印模型。

更有趣的是，研究团队构建了一个“动态材料网络”，回顾了非晶合金的开发史。他们发现，尽管几十年间科学家们合成了众多新合金，但其中很大一部分，其实早已“隐藏”在早期构建的材料网络结构中了。

三元非晶合金动态网络的生成过程

视频展示了一个三元非晶合金动态材料网络的构建与演化过程。其中，红色圆圈标记的节点代表在新一步中加入的新元素，而蓝色节点则代表网络中已存在的元素。



图2 三元非晶合金动态网络数据挖掘

通过对三元非晶合金动态材料网络进行数据挖掘，研究人员发现，许多后续开发的三元非晶合金，其实早已隐藏在早期的网络结构之中（如Auto三角形），这一发现揭示了材料开发中可能存在的“创新陷阱”。

这意味着，在已有知识和经验基础上的研发，很容易不自觉地走入一个“创新陷阱”——其中的一些材料研制创新其实已经隐藏在材料网络结构中。然而，过去的研究并未从此角度开展；同时，材料网络可以为材料设计提供高效的指导建议。

独特的“材料互联网”：它有自己的物理规则

研究还发现，这个“材料网络”与我们熟悉的互联网社交网络截然不同。互联网网络的连接度是“无标度”的幂律分布（power-law distribution），其幂指数为2-3之间。但材料网络却表现出幂指数小于2的“异常无标度”特性。

其根本原因在于，材料网络受到“物理规则”的约束：元素种类是有限的，而它们之间能形成的稳定连接（连线或三角形）的增长速度远快于新节点的增加。这种网络特性其实在我们的生活中也很常见，比如航线网络和邮件网络等。

这项研究不仅为非晶合金的开发打开了一扇新的大门，更展示了材料网络科学这一强大工具在材料学中的巨大潜力。未来，这种“材料网络学”的研发范式，有望在更多复杂的材料体系中应用，激发跨学科的创新火花，加速新材料的发现之旅。


（原文：Constructing material network representations for intelligent amorphous alloy design）

来源: 《中国科学》杂志社