Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) обнаружили, что скрытый атомный порядок в металлах может сохраняться даже после экстремальных условий обработки.
В течение десятилетий ученые считали, что в металлах содержатся тонкие химические структуры, слишком незначительные, чтобы влиять на эксплуатационные свойства . Однако недавние исследования показали, что эти структуры могут существенно влиять на свойства металлов, включая механическую прочность, теплоемкость, устойчивость к радиации и другие особенности.
Исследователи из MIT установили, что определенные химические закономерности присутствуют в металлах, полученных традиционным путем. Ученые разработали простую модель для прогнозирования этих закономерностей и показали, как ее можно использовать для настройки их влияния на свойства металлов в аэрокосмической промышленности, полупроводниках, ядерных реакторах и других сферах.
«Вывод таков: полностью хаотизировать расположение атомов в металле невозможно. Не имеет значения, как его обрабатывают. Это первая работа, демонстрирующая эти неравновесные состояния, сохраняющиеся в металле. Сейчас мы не контролируем этот химический порядок и не обращаем на него внимания при производстве металлов», — объясняет ученый из кафедры материаловедения и инженерии MIT Родриго Фрейтас.
Исследователи начали с поиска ответа на вопрос, насколько быстро химические элементы смешиваются в процессе обработки металлов. Считается, что существует определенная точка, в которой химический состав металлов становится полностью однородным . Обнаружив эту точку, ученые решили разработать простой способ создания сплавов с различным уровнем атомного порядка. Они использовали методы машинного обучения для отслеживания движения и перегруппировки миллионов атомов в условиях, имитирующих традиционную обработку металлов.
«Первым делом мы деформировали кусок металла. Это обычный этап производства: металл прокатывается, деформируется, снова нагревается и деформируется еще немного, чтобы получить нужную структуру. Мы это сделали и отследили химический порядок. Идея заключалась в том, что при деформации материала его химические связи разрушаются, и это хаотизирует систему. Эти интенсивные производственные процессы по сути перемешивают атомы», — рассказывает Родриго Фрейтас.
Однако в процессе перемешивания исследователи столкнулись с проблемой: сплавы так и не достигли полностью случайного хаотического состояния. Для того, чтобы понять причины, ученые создали новые вычислительные инструменты, включая высокоточные модели машинного обучения, для регистрации взаимодействия между атомами, и новые статистические методы, количественно оценивающие изменения химического порядка с течением времени.
Они использовали эти инструменты в крупномасштабном моделировании молекулярной динамики для отслеживания перегруппировки атомов в процессе обработки. Ученые обнаружили определенные нестандартные структуры в обработанных металлах, однако при более высоких температурах, чем можно было ожидать.
Кроме этого ученые обнаружили совершенно новые химические структуры, которые никогда до этого не наблюдались за пределами производственных процессов. Исследователи назвали эти структуры «состояниями, далекими от равновесия». Ученые построили простую модель, воспроизводящую ключевые особенности моделирования. Она объясняет, как химические узоры образуются из дефектов, известных как дислокации, подобных трехмерным каракулям.
При деформации металлов эти дефекты также деформируются, вызывая изменение порядка соседних атомов. До этого исследователи считали, что изменение расположения атомов полностью разрушает порядок в металлах, однако обнаружили, что дефекты приводят к обмену местами между атомами, что свидетельствует не о случайном характере, а о тонкой закономерности.
«Эти дефекты имеют химические преимущества, которые определяют их движение. Они ищут пути с низкой энергией, поэтому если есть выбор между разрывом химических связей, они, как правило, разрывают самые слабые, и это не совсем случайный процесс. Это очень интересно, потому что это неравновесное состояние: оно не встречается в природе в материалах. Так же наши тела живут в неравновесном состоянии. Температура снаружи всегда выше или ниже температуры нашего тела, и мы поддерживаем это устойчивое равновесие, чтобы оставаться живыми. Именно поэтому такие состояния существуют в металле: баланс между внутренним стремлением к беспорядку и этой упорядочивающей тенденцией к разрыву определенных связей, которые всегда слабее других», — подчеркивает Родриго Фрейтас.
Сейчас исследователи продолжают изучать, как эти химические структуры формируются в широком спектре производственных условий. Они создали карту, связывающую различные этапы обработки металлов с различными химическими структурами. Исследователи надеются, что с помощью этой карты инженеры смогут начать рассматривать эти закономерности как рычаги в дизайне, которые можно использовать в процессе производства для получения новых свойств.
По словам Фрейтаса, сейчас изучается, как эти конфигурации атомов изменяют свойства металлов. Одним из ключевых факторов является катализ.
«Электрохимические процессы происходят на поверхности металла и очень чувствительны к локальному расположению атомов. Кроме того, существуют другие свойства, на которые, казалось бы, эти факторы не влияют. Еще один важный фактор — радиационное повреждение. Оно влияет на характеристики этих материалов в ядерных реакторах. Можно представить области, где нужны очень оптимизированные сплавы, например, аэрокосмическую промышленность. Им нужны очень специфические составы. Современные технологии производства позволяют комбинировать металлы, которые обычно не сочетаются при деформации. Понимание того, как атомы на самом деле перемещаются и смешиваются в этих процессах, имеет решающее значение, поскольку это ключ к повышению прочности при сохранении низкой плотности«, — убеждает Фрейтас.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications
Источник: SciTechDaily
