研發服務平台亮點成果獎─優等獎
亮點成果：結合機器學習與材料模擬，解構複雜化學材料的結構秘密
使用平台：國家高速網路與計算中心「台灣杉二號AI超級電腦」

高熵合金（high entropy alloy）是新穎的結構材料，具備高彈性、耐熱等特性，中央研究院應用科學研究中心研究員包淳偉運用國家高速網路與計算中心（簡稱國網中心）的「台灣杉二號AI超級電腦」，以機器學習模型進行高熵合金差排行為之大尺度分子模擬，研究成果在2024年發表於頂級期刊《自然．通訊》（Nature Communications）。

以量子化學計算 補足實驗室成果的未知

高熵合金是近年來獲得高度重視的新穎材料當屬，然而，其化學組成及其相應的微結構極為複雜，需要巨大的計算資源來進行第一原理計算，或者透過訓練機器學習模型來進行複雜材料的計算模擬。

傳統合金材料是由一種比例最高的主體元素加入其他元素組成，例如鋼材是以鐵為主體元素，再加入碳及其他元素；而高熵合金是由多種元素以相近比例均勻混合，突破傳統材料瓶頸，具有強度提升、更加耐磨、耐高溫及輕量化等優勢。「均勻混合是很不容易的，比如說一碗好吃的肉燥乾麵，一開始醬汁、肉燥、蔥花、豆芽菜藉由攪拌可以達到均勻，但過了一段時間這些好料就會自然沉到碗公底部，你得花力氣才能將這些好料跟麵條再次攪拌均勻」，帶著好奇心，包淳偉特別想了解：為什麼「鈷、鎳、鉿、鈦、鋯」這五種元素原子大小的差異極大，所組成的複雜材料卻可以形成均勻混合穩定的晶體結構？

2018年，香港城市大學教授楊勇與包淳偉分享最新研究成果，楊勇成功在實驗室製備出由「鈷、鎳、鉿、鈦、鋯」五種元素組成的超彈性高熵合金。然而除了成分和巨觀力學性質外，科學家對這種材料的結構所知有限，許多實驗量測結果也無法找到合理解釋，包淳偉實驗室基於此契機，開啟以電腦模擬高熵合金原子結構的研究。

研究發現，「鈷、鎳、鉿、鈦、鋯」五種元素的原子大小差異高達11%，照理說應當是無法形成晶體結構穩定的合金。不過經原子尺度的電腦模擬發現，新合金內原子的獨特結構除了能夠穩定晶體結構外，也使其內部原子能夠承受約9%的晶格畸變，遠超過一般高熵合金材料的2%，因此增加原子間差排移動的難度，不容易產生永久變形。此外，量測其機械性質發現的機械量測結果顯示，這種新合金有目前所知金屬的最高彈性極限，相較於大部分金屬可以承受更大的形變。而且不同於大部分金屬加熱後會軟化，這種新合金表現出艾林瓦效應（Elinvar Effect），也就是面對溫度的變異仍能保持剛度，即使加熱到726℃左右，還能保持與室溫下一致的剛度。具有如此特性的材料，在高機械強度或高熱的環境下，可望有極大的應用潛力，甚至應用在超導體方面的材料研究，也能提供設計概念上的啟發。

國網中心助攻 研究成果二度登上頂級期刊

2022年，包淳偉與跨國研究團隊，以理論模擬結合實驗結果，提出了超高彈性的高熵艾林瓦合金，擁有目前所知最高標準化強度、極低的彈性能耗損，該研究結果登上國際知名學術期刊《自然》（Nature）。他說，當時在進行高熵合金的電腦模擬研究，必須要驗證晶體結構，由多種元素組成的高熵合金在晶體結構的測試時，需要嘗試非常多的可能性，所運用的計算資源非常龐大，「我們自己研究室的計算資源捉襟見肘，為了將研究結果搶先登上知名期刊，必須加快理論計算的速度。」此時，國家高速網路與計算中心（簡稱國網中心）的「台灣杉二號」剛剛上線，包淳偉得知消息立刻向國網中心求援，希望借助台灣杉二號的運算資源，助攻研究速度。

在《自然》的論文發表之後，他深知研究工作並未完成，第一階段的任務著重在小尺度的模擬，使用量子化學的計算，能夠處理的系統尺度非常小；在第二階段的研究中，為了研究高熵合金在塑性變形上的特殊性質，必須想辦法擴大模擬研究尺度，因此引入機器學習的方法，開發各種模擬工具，訓練能夠高效率還原量子化學計算結果的機器學習模型，來進行大尺度的機械性質模擬，了解高熵合金在塑性變形時的性質。由機器學習模擬驅動的大尺度分子模擬研究，發現了這種新合金在不同溫度下塑性變形時有不同的微觀結構變化，同時也在實驗中得到驗證，第二階段的研究成果在2024年於頂級期刊《自然．通訊》首度發表以機器學習模型進行高熵合金的差排行為之大尺度模擬。

自國立清華大學材料科學工程學系葉均蔚院士在2004年提出高熵合金的概念以來，已有一些產業應用，例如金屬切削加工使用的刀具、車床的鑽頭，這領域的相關進展仍有待研究人員在基礎科學上持續深化，將高熵合金能承受更大的外加應力、應變、不容易變形的特質，應用在更要求恆定彈性、需對抗溫度急遽變化的高精密元件中，為人類生活帶來更多革命性的改變。

從小尺度的量子化學計算，到以機器學習進行多尺度的模擬，包淳偉特別感謝國網中心的傾力相助，「當時真的非常需要國網中心的幫忙，沒有國網中心，就沒有現在的研究成果。」未來，仍會持續進行高熵合金的結構解密研究工作。