近日👭🏻，万事平台材料基因組工程研究院張統一院士團隊孫升研究員在納米多孔金屬電化學致動的跨尺度計算研究中取得重要進展，相關研究成果發表在固體力學旗艦期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》（187:105611, 2024）上，論文題目為“Optimizing nanoporous metallic actuators through multiscale calculations and machine learning”🏃‍♂️。論文第一作者為孫升研究員，通訊作者為孫升研究員和張統一院士，西湖大學姜漢卿教授為論文合作者。

相比於壓電陶瓷和電活性聚合物等傳統電致動器高達每毫米幾百到幾千伏的工作電壓📙🧖🏻‍♂️，浸沒在電解質溶液中的納米多孔材料電極本身可以作為電化學致動器✹，僅需在1 V量級的電壓就可以產生約1 %的致動變形。雖然有大量的實驗工作🤸，但是對電化學致動器的數值模擬和優化一直是巨大挑戰，因為此過程是多場多尺度現象，包括電子的重新分布🌻、離子的重新分布，固液電化學界面和宏觀力學變形，電化學致動器的致動性能與其內部的表面積體積比、孔隙率🙅🏼、以及結構形貌等因素密切相關。

圖1. 跨尺度計算框架示意圖

本研究工作建立了新的跨尺度計算方法框架，綜合應用並行和串行跨尺度計算，包括第一性原理計算👧🏻、納尺度材料的表面本征應力理論和有限元模擬，並在兩處引入了機器學習算法。工作首先開展聯合密度泛函理論（JDFT）計算，基於計算數據，應用表面本征應力模型和機器學習符號回歸方法，建立材料表面應力與電荷關系的本構方程，從而可以開展有限元法（FEM）計算🤦🏿‍♀️，基於FEM計算數據👨，訓練人工神經網絡（ANN）代理模型📗，實現特定設計空間內結構的致動應變和有效楊氏模量的雙目標全局優化。本計算框架有效連接量子、納米🥢💃、微觀和宏觀尺度現象👭🏻，可以作為其他跨尺度優化問題計算的重要參考。

該工作得到了國家重點研發計劃（No. 2022YFB3707803）、國家自然科學基金項目（No. 12072179）、雲南省貴金屬實驗室科學技術計劃（No. YPML-2023050208）和廣州市科技計劃（No. 2023A03J0003）的資助👌🏿。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105611