鑄鐵的熔點(diǎn)是1200℃左右，不銹鋼在1520℃左右熔化。如果你想用這些材料制造日常用品，比如廚房里的煎鍋或醫(yī)生使用的手術(shù)工具，自然就需要能經(jīng)受住這些極端溫度的熔爐和模具。

這就是耐火氧化物的用途。這些陶瓷材料可以承受酷熱并保持形狀，所以可以用于制造從窯爐、核反應(yīng)堆到航天器上的隔熱瓦等各種物品。但它們所置身的環(huán)境往往很危險(xiǎn)，所以科學(xué)家們希望盡可能多地了解高溫下它們可能產(chǎn)生的變化。

樣本是一個(gè)懸浮器噴嘴，激光加熱25-3000℃。在用X射線檢查其結(jié)構(gòu)前，用惰性氣體將材料小球懸浮在空氣中，再用激光加熱其頂端（來(lái)源：Ganesh Sivaraman/阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

“并不是說(shuō)人類(lèi)不偉大，但如果能夠得到計(jì)算機(jī)和軟件的幫助，我們就可以更偉大。它們?yōu)楦嗟拇祟?lèi)實(shí)驗(yàn)打開(kāi)了大門(mén)，推動(dòng)了科學(xué)的發(fā)展。”阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室智能材料設(shè)計(jì)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Marius Stan表示。

美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究小組利用創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬法設(shè)計(jì)了一種方法，不僅可以獲得這些材料在熔點(diǎn)附近發(fā)生結(jié)構(gòu)變化的精確數(shù)據(jù)，還可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出其他變化。該團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究成果發(fā)表在了《物理評(píng)論快報(bào)》上。

這次合作的“種子”是Marius Stan種下的，他是阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用材料部門(mén)智能材料設(shè)計(jì)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。Stan的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多關(guān)于耐火氧化物熔點(diǎn)的模型和模擬，但需要測(cè)試?！瓣P(guān)鍵是想看看我們的數(shù)學(xué)模型和模擬是否可以實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在它已經(jīng)演變成了一項(xiàng)機(jī)器學(xué)習(xí)研究。最令人興奮的是現(xiàn)在有了一種可以自動(dòng)預(yù)測(cè)原子間相互作用的方法?！盨tan說(shuō)。

該論文第一作者、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)科學(xué)與學(xué)習(xí)部門(mén)助理計(jì)算科學(xué)家Ganesh Sivaraman表示：這項(xiàng)創(chuàng)新研究是從一個(gè)熟悉的測(cè)試腳本開(kāi)始的。他在美國(guó)能源部科學(xué)用戶(hù)設(shè)施辦公室設(shè)立的阿貢領(lǐng)先計(jì)算設(shè)施（ALCF）項(xiàng)目中作博士后時(shí)完成了那項(xiàng)工作。

雖然大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都是從理論模型開(kāi)始的，基本上就是對(duì)現(xiàn)實(shí)條件下會(huì)發(fā)生什么事的一種有根據(jù)的猜測(cè)，但研究小組仍希望從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)始，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模型。Sivaraman講了一個(gè)故事，一位著名的德國(guó)數(shù)學(xué)家想學(xué)游泳，于是他拿起一本游泳書(shū)讀了起來(lái)。Sivaraman說(shuō)，在不考慮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下創(chuàng)造理論，就像只讀游泳書(shū)，從來(lái)沒(méi)進(jìn)過(guò)泳池。阿貢團(tuán)隊(duì)希望縱身躍入“深水區(qū)”。

“圍繞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的模型更準(zhǔn)確，”Sivaraman說(shuō)，“它讓模型更接近現(xiàn)實(shí)。”為了獲得這些數(shù)據(jù)，計(jì)算科學(xué)家們與物理學(xué)家Chris Benmore，以及阿貢實(shí)驗(yàn)室X射線科學(xué)部的助理物理學(xué)家Leighanne Gallington進(jìn)行合作。Benmore和Gallington正在研究高級(jí)光子源（APS）項(xiàng)目，也是美國(guó)能源部科學(xué)用戶(hù)設(shè)施辦公室的項(xiàng)目。高級(jí)光子源會(huì)產(chǎn)生非常明亮的X射線束，照亮材料結(jié)構(gòu)及其他東西?？茖W(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用的光束線能夠檢測(cè)極端條件下（如高溫）材料的局部結(jié)構(gòu)及長(zhǎng)程結(jié)構(gòu)。

當(dāng)然，加熱難熔氧化物，此案例中是二氧化鉿，二氧化鉿的熔點(diǎn)是2870℃左右，有其復(fù)雜之處。通常需要將樣本存放于一個(gè)容器內(nèi)，但沒(méi)有一個(gè)容器既能承受這樣的高溫，同時(shí)還能讓X射線通過(guò)。甚至不能把樣品放在桌子上，因?yàn)樽雷訒?huì)在樣品熔化前熔化。解決方案就是空氣動(dòng)力懸浮，比如科學(xué)家用惰性氣體將一個(gè)（直徑2mm-3mm）的材料樣本小球懸浮在空中，大約1mm。

Gallington說(shuō)：“我們有一個(gè)與惰性氣體流相連的噴嘴，在它使樣品懸浮后，再用400W的激光從上面加熱材料。需要調(diào)整氣流，讓它穩(wěn)定地懸浮。高度不能太低，才能避免樣品接觸到噴嘴，將它熔化?！?/p>

一旦得到數(shù)據(jù)，使用光束線的科學(xué)家們就能較好地了解氧化鉿熔化時(shí)會(huì)發(fā)生什么，然后計(jì)算機(jī)科學(xué)家就可以把數(shù)據(jù)運(yùn)行起來(lái)。Sivaraman將數(shù)據(jù)輸入兩套機(jī)器學(xué)習(xí)算法，其中一套理解理論并做出預(yù)測(cè)，另一套則是主動(dòng)學(xué)習(xí)算法，充當(dāng)教學(xué)助手，只負(fù)責(zé)為第一套算法提供最有趣的數(shù)據(jù)。

“主動(dòng)學(xué)習(xí)算法可以幫助其他類(lèi)型的機(jī)器學(xué)習(xí)算法用更少的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，”Sivaraman解釋說(shuō)：“比如從你家去市場(chǎng)可能有很多路線，但你只需要知道最短的路線。主動(dòng)學(xué)習(xí)算法會(huì)指出最短的那條，過(guò)濾掉其他的。”
計(jì)算是在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室ALCF和實(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。最終，這個(gè)團(tuán)隊(duì)得到了一個(gè)基于真實(shí)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)生成模型，讓他們可以預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)人員沒(méi)有或無(wú)法捕捉到的東西。

“我們現(xiàn)在有了一個(gè)叫作多種可能性的模型，可以預(yù)測(cè)很多事情。我們現(xiàn)在可以給出其他參數(shù)，比如它在高溫下是如何保持形狀的，這是之前測(cè)不出的。還可以推測(cè)溫度升到超出我們目前能夠制造的溫度之外，它的性狀可能發(fā)生什么改變。”Benmore說(shuō)。Benmore補(bǔ)充道：“模型的好壞取決于你提供的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)越多，模型越好。我們提供盡可能多的信息，以產(chǎn)生更好的模型?！?/p>

Sivaraman將這項(xiàng)工作描述為可以反饋到進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)中的概念證明。他說(shuō)，這是一個(gè)很好的例子，體現(xiàn)了阿貢實(shí)驗(yàn)室不同領(lǐng)域的合作，也是一項(xiàng)沒(méi)有國(guó)家實(shí)驗(yàn)室資源就無(wú)法完成的研究。

“我們將在其他材料上重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，”Sivaraman說(shuō)：“高級(jí)光子源（APS）項(xiàng)目的同事?lián)碛醒芯窟@些材料如何在極端條件下熔化的基礎(chǔ)設(shè)施，我們正在與計(jì)算機(jī)科學(xué)家們合作構(gòu)建軟件和流媒體架構(gòu)，以快速處理這些數(shù)據(jù)集。我們可以將主動(dòng)學(xué)習(xí)納入框架，并教模型使用ALCF超級(jí)計(jì)算機(jī)，更有效地處理數(shù)據(jù)流。”

Stan認(rèn)為，這樣的概念證明可能會(huì)取代人類(lèi)為了精確計(jì)算所做的那些枯燥工作。他在職業(yè)生涯中見(jiàn)證了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，過(guò)去需要幾個(gè)月才能完成的計(jì)算工作，現(xiàn)在只需幾天即可。“并不是說(shuō)人類(lèi)不偉大，”他笑著說(shuō)，“但如果能夠得到計(jì)算機(jī)和軟件的幫助，我們就可以變得更偉大。它為更多的此類(lèi)實(shí)驗(yàn)打開(kāi)了大門(mén)，推動(dòng)了科學(xué)的發(fā)展?！?/p>