Även om maskininlärning har varit framgångsrik i många aspekter, dess tillämpning i kristallstrukturförutsägelser och materialdesign är fortfarande under utveckling. Nyligen, Prof. Jian Suns grupp vid institutionen för fysik, Nanjings universitet, implementerade en maskininlärningsalgoritm i sökmetoden för kristallstruktur. De använde en maskininlärningsalgoritm för att beskriva den potentiella energiytan och använde den för att filtrera kristallstrukturerna, förbättra sökeffektiviteten för förutsägelse av kristallstruktur.

Hybridföreningar av övergångsmetaller och lätta element, speciellt övergångsmetallnitrider, har studerats brett för sin höga inkompressibilitet och bulkmodul. Dock, superhårda volframnitrider (Vickers hårdhet över 40 GPa) har ännu inte hittats. Energibanden som bidrar med d-valenselektroner från volframatomer kan lätt passera fermi-energinivån, och metalliciteten leder till stor minskning av deras hårdhet. Därför, att designa icke-metalliska volframnitridkristallstrukturer verkar vara ett lovande sätt att nå enastående mekaniska egenskaper som superhårdhet.

Baserat på tidigare forskning, ett samarbete ledd av prof. Jian Sun och prof. Hui-Tian Wang vid institutionen för fysik, Nanjings universitet, sammanfattade tre egenskaper för att designa superhårda hybridföreningar av övergångsmetall och lätta element:högtrycksstabil och omgivande tryckmetastabil kristallstruktur, icke-metalliska elektroniska strukturer, och ett stort förhållande av lätta element. Dessa egenskaper inspirerade dem att designa kväverika volframnitrider som innehåller speciella kvävebaserade grundkonfigurationer, såsom ringar, kedjor, nätverk och ramverk, etc. Baserat på dessa designregler och den nyutvecklade sökmetoden för maskininlärning av kristallstruktur, de har framgångsrikt förutspått en icke-metallisk kväverik volframnitrid h-WN6. Den har en sandwich-liknande struktur som bildas av kväve sex-ledad ring och volfram atomer.

Elektronlokaliseringsfunktionen och Bader-laddningsanalys indikerar att h-WN6 är en jonisk kristall som innehåller starka N-N kovalenta bindningar. Den kan vara stabil vid höga tryck och metastabil vid omgivningstryck. Dessutom, den har en liten, indirekt energigap och onormalt gapbreddande beteende under kompression. (se kristallstrukturen, elektroniska strukturer och högtrycksbeteendena i den bifogade figuren). Mer intressant, h-WN6 uppskattas vara den hårdaste bland övergångsmetallnitrider som är kända hittills, med en Vickers hårdhet runt 57 GPa och har även en ganska hög smälttemperatur på runt 1, 900 K. Dessutom, deras beräkningar visar också att denna kväverika förening kan betraktas som ett potentiellt material med hög energidensitet på grund av den goda gravimetriska (3,1 kJ/g) och volymetriska (28,0 kJ/cm) ³ ) energitätheter.

Forskarna utvecklade en metod för accelererad sökning av kristallstrukturer med maskininlärning, sammanfattade designreglerna för superhårda övergångsmetaller av lätta elementföreningar, och förutspådde en superhård volframnitrid med hög energidensitet med god termisk stabilitet. Studien kommer att stimulera den teoretiska designen och experimentella syntesen av denna typ av övergångsmetallmaterial med potentiellt tillämpningsvärde. Detta kommer också att berika familjen av superhårda material och kan användas som referens för att förstå ursprunget till hårdhet.