上海大学材料基因组工程研究院张统一院士和孙升研究员团队在纳米多孔金属电化学致动的跨尺度计算研究中取得重要进展，相关研究成果发表在固体力学旗舰期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》（187:105611, 2024）上，论文题目为“Optimizing nanoporous metallic actuators through multiscale calculations and machine learning”。
相比于压电陶瓷和电活性聚合物等传统电致动器高达每毫米几百到几千伏的工作电压，浸没在电解质溶液中的纳米多孔材料电极本身可以作为电化学致动器，仅需在1 V量级的电压就可以产生约1 %的致动变形。虽然有大量的实验工作，但是对电化学致动器的数值模拟和优化一直是巨大挑战，因为此过程是多场多尺度现象，包括电子的重新分布、离子的重新分布，固液电化学界面和宏观力学变形，电化学致动器的致动性能与其内部的表面积体积比、孔隙率、以及结构形貌等因素密切相关。
图1. 跨尺度计算框架示意图
本研究工作建立了新的跨尺度计算方法框架，综合应用并行和串行跨尺度计算，包括第一性原理计算、纳尺度材料的表面本征应力理论和有限元模拟，并在两处引入了机器学习算法。工作首先开展联合密度泛函理论（JDFT）计算，基于计算数据，应用表面本征应力模型和机器学习符号回归方法，建立材料表面应力与电荷关系的本构方程，从而可以开展有限元法（FEM）计算，基于FEM计算数据，训练人工神经网络（ANN）代理模型，实现特定设计空间内结构的致动应变和有效杨氏模量的双目标全局优化。本计算框架有效连接量子、纳米、微观和宏观尺度现象，可以作为其他跨尺度优化问题计算的重要参考。
论文第一作者为孙升研究员，通讯作者为孙升研究员和张统一院士，西湖大学姜汉卿教授为论文合作者。该工作得到了国家重点研发计划（No. 2022YFB3707803）、国家自然科学基金项目（No. 12072179）、云南省贵金属实验室科学技术计划（No. YPML-2023050208）和广州市科技计划（No. 2023A03J0003）的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105611