高熵合金体系（High-entropy alloys）和高熵氧化物(High-entropy oxides)由于其原子尺度结构存在长程无序特点，因而在力学、电学、磁学、电化学储能及催化性能方面赋予全新的物理和化学特性，受到国内外学者的广泛关注，成为目前国际上的研究热点。常规采用量子力学方法直接研究原子排列长程无序的非晶态材料、高熵合金或高熵氧化物需要通过构建近似等效超晶胞模型来实现对其结构、物理及化学性质的计算，超胞模型在尺度选择方面目前缺乏统一的标准，且建模等效过程是基于纳米及更小尺度晶胞建模外延物理思想（Bottom-up），其超晶胞模型的合理性及计算性质的收敛性都存在争议。
西安交通大学电气工程学院新型储能与能量转换纳米材料研究中心肖冰教授课题组提出了基于高熵及多相材料介观尺度（50 nm以上）原子无序排布特征进行映射的算法来构建底层纳米尺度最优等效超晶胞原子模型的全新逆向结构缩放算法（Top-down），实现对已有外延建模算法原理性突破。逆向结构映射设缩放计算法借助于在介观尺度及以上更大尺度材料结构计算具有显著优势的的动力学Monte-Carlo结构演化算法来实现对高熵合金、高熵氧化物及多相组织微观原子-分子尺度结构特征的模拟，进一步对所得介观尺度以上的材料样本（>105原子及50×50×50 nm3）开展纳米尺度特征原子团簇晶胞进行提取和对称性约化分析；基于介观尺度材料模拟结果所获得的对称性不可约团簇晶胞类型及相对比例，提出并建立了类Monte-Carlo逆向结构映射算法，实现将宏观尺度材料无序结构特征映射到纳米尺度及更小超胞模型缩放算法流程。通过对比了具有条幅分解组织结构特征的Fe-Cr合金及摩尔等比例五元高熵合金MoWCrCuCo基准超胞模型与映射结构第一性原理电子态密度计算结果，发现了映射模型与基准模型结果在Fermi能级区域具有高度一致性，验证了逆向结构映射算法的原理的可行性及可靠性。该研究提出的高熵及多相材料逆向结构映射算法建立了衔接介观尺度材料模拟与纳米尺度量子力学计算方法的桥梁，贯通了针对高熵材料及多相材料开展基于量子力学方法的多尺度性质及结构模拟关键环节算法，预期在高熵合金、高熵氧化及多相组织材料跨尺度模拟领域具有广泛应用前景。
近日，该研究成果以《ScaleLat:多相体系及高熵合金原子尺度化学结构匹配算法》（ScaleLat: A chemical structure matching algorithm for mapping atomic structure of multi-phase system and high entropy alloys）为题在线发表于计算物理软件领域国际顶级期刊《计算机物理通讯》（Computer Physics Communications，影响因子6.3，中科院1区）。
该论文第一作者为西安交通大学电气学院博士生李南，通讯作者为西安交通大学电气学院肖冰教授，共同通讯作者为西安交通大学材料学院李烨飞副教授及苏州热工研究院有限公司史芳杰高级工程师。该项目研究得到国家重点研发计划(批准号: 2020YFB1901500)资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cpc.2024.109265
文字：肖冰教授团队
图片：肖冰教授团队
