金刚石是自然界中发现的最坚硬的材料，金刚石还具有最高的导热率，允许最多的热量快速流过它。
一个国际科学家团队通过超级计算机模拟发现，通过弯曲金刚石，可以大幅提高或降低其热导率。世界各地的科学家都对研究弹性应变工程感兴趣，以发现材料在承受大拉伸或剪切应力时表现出的特性。
这样的发现可能为开发新的微电子和光电设备(例如计算机芯片、量子传感器、通信设备等)打开大门。
核科学与工程系前研究员FrankShi表示：“我们的研究展示了在六维应变空间中绘制整个声子稳定性边界的框架，可以通过弹性应变工程指导材料工程。”麻省理工学院材料科学与工程系。
Shi与人合着的这项研究揭示了金刚石的可调热导率，该研究于2024年2月发表在《美国国家科学院院刊》上。
Shi及其同事开发了一种计算模型，利用未变形金刚石的中子和X射线散射的实验数据进行校准，以确定应变金刚石的物理特性，例如声子稳定性、声子能带结构和声子寿命。
“通过应用这个框架，我们发现金刚石的室温晶格热导率可以通过机械应变增加或减少90%以上，而不会引起材料内部的不稳定性，”Shi补充道。
石博士于2021年完成了之前的工作，对金刚石的电子能带结构进行了量子力学计算，电子能带结构描述了电子的能量，对于构建晶格振动模型非常重要。
该科学团队使用了德克萨斯州高级计算中心(TACC)的Frontera超级计算机。他们从路径分配开始，后来扩展到最多500万节点小时的领导力资源分配。
“除了三维声子能带结构之外，我们还使用Frontera从大型六维应变空间生成数据，”该研究的合著者、材料科学与工程教授、巴特尔能源联盟核教授JuLi说。麻省理工学院的工程学。
Li使用Frontera完成了数千次密度泛函理论计算，以确定声子能带结构和声子散射特性作为应变张量的函数。然后，他们使用机器学习训练DPU(数据处理单元)网络，为模型生成九维响应函数。
“这样，我们就能够以快速的方式提供任意应变下金刚石的振动特性和电子特性，”李补充道。“现在使用机器学习模型，计算成本要便宜得多。我们第一次能够完全描绘出六维‘理想应变’表面。”
Frontera是美国最快的学术超级计算机，是由美国国家科学基金会资助的战略性国家能力计算系统。图片来源：TACC
据李介绍，这项工作提出了理想应变的概念，该概念由雅科夫·弗伦克尔(YakovFrenkel)于1926年首次提出，它给出了简单剪切的大致数字，而不考虑材料的个体特性。
“通过Frontera超级计算机，我们首次能够制作出控制金刚石声子稳定性和导热性的弹性应变空间的导航图，”李补充道。
在笔记本电脑和手机中，标准应变硅技术用于将晶体管的晶格拉伸约百分之一，从而使电子在硅通道中移动得更快。
“我们将提高到10%，”李说。“因为它是一个六维空间，如果我将应变大小增加10倍，弹性应变空间中的参数体积就会增大一百万倍。这就是为什么我们需要高性能计算来映射特征。”
“在Frontera上完成的量子力学计算为我们提供了这些数据的基本事实，因此我们可以训练机器学习模型，”石补充道。
如果没有机器学习，将需要数十亿次计算来对大量应变状态进行建模
“它为我们节省了宝贵的计算时间，同时又不牺牲准确性，”石说。
这项研究符合一项名为“材料基因组计划”(MGI)的更大的科学工作，该计划在概念上类似于人类基因组计划，该计划对人类基因组中的基因进行了绘制和测序。MGI集成了先进的建模、计算和实验工具以及定量数据，以加快电池、计算机芯片等先进材料的发现。
“我们研究的额外六个应变自由度给我们带来了巨大的新自由，”李说。声子振动特性是超导性、热电性和导热性的关键。
李补充说，Frontera不仅是研究的“巨大”资源，也是教育和劳动力发展的资源。“对于我的团队来说，该系统帮助我从后备军官训练队的学生中指导西点军校的实习生。他们发现该系统非常容易访问和使用，”李说。
人们多次说过，超级计算机有助于加速材料科学的发现过程。
“它们使我们能够使用模拟根据新数据快速迭代完善的模型，然后探索材料设计和发现的不同方法，”施总结道。“这种假设检验的快速循环加速了从理论见解到实际应用的转变。这是材料科学家进行现代研究的重要且急需的范例。”