Дослідники з Массачусетського технологічного інституту (MIT) виявили, що прихований атомний порядок у металах може зберігатись навіть після екстремальних умов обробки.
Протягом десятиліть науковці вважали, що у металах містяться тонкі хімічні структури, надто незначні, щоб впливати на експлуатаційні властивості . Однак нещодавні дослідження продемонстрували, що ці структури можуть суттєво впливати на властивості металів, включно із механічною міцністю, теплоємністю, стійкістю до радіації та іншими особливостями.
Дослідники з MIT встановили, що певні хімічні закономірності присутні у металах, отриманих традиційним шляхом. Науковці розробили просту модель для прогнозування цих закономірностей і показали, як її можна використовувати для налаштування їхнього впливу на властивості металів у аерокосмічній промисловості, напівпровідниках, ядерних реакторах та інших сферах.
“Висновок такий: повністю хаотизувати розташування атомів у металі неможливо. Не має значення, як його обробляють. Це перша робота, що демонструє ці нерівноважні стани, що зберігаються у металі. Зараз ми не контролюємо цей хімічний порядок і не звертаємо на нього уваги при виробництві металів”, — пояснює науковець з кафедри матеріалознавства та інженерії MIT Родріго Фрейтас.
Дослідники розпочали з пошуку відповіді на питання, наскільки швидко хімічні елементи змішуються в процесі обробки металів. Вважається, що існує певна точка, у якій хімічний склад металів стає повністю однорідним . Виявивши цю точку, науковці вирішили розробити простий спосіб створення сплавів з різним рівнем атомного порядку. Вони використали методи машинного навчання для відстеження руху та перегрупування мільйонів атомів в умовах, що імітують традиційну обробку металів.
“Насамперед ми деформували шматок металу. Це звичайний етап виробництва: метал прокочується, деформується, знову нагрівається та деформується ще трохи, щоб отримати потрібну структуру. Ми це зробили та відстежили хімічний порядок. Ідея полягала в тому, що при деформації матеріалу його хімічні зв’язки руйнуються, і це хаотизує систему. Ці інтенсивні виробничі процеси по суті перемішують атоми”, — розповідає Родріго Фрейтас.
Однак у процесі перемішування дослідники зіткнулись з проблемою: сплави так і не досягли повністю випадкового хаотичного стану. Для того, аби зрозуміти причини, вчені створили нові обчислювальні інструменти, включно із високоточними моделями машинного навчання, для реєстрації взаємодії між атомами, та нові статистичні методи, що кількісно оцінюють зміни хімічного порядку з плином часу.
Вони використали ці інструменти у великомасштабному моделюванні молекулярної динаміки для відстеження перегрупування атомів в процесі обробки. Науковці виявили певні нестандартні структури в оброблених металах, однак за вищих температур, ніж можна було очікувати.
Окрім цього науковці виявили абсолютно нові хімічні структури, які ніколи до цього не спостерігались за межами виробничих процесів. Дослідники назвали ці структури “станами, далекими від рівноваги”. Вчені побудували просту модель, що відтворює ключові особливості моделювання. Вона пояснює, як хімічні візерунки утворюються з дефектів, відомих як дислокації, подібних до тривимірних каракулів.
Під час деформації металів ці дефекти також деформуються, спричиняючи зміну порядку сусідніх атомів. До цього дослідники вважали, що зміна розташування атомів повністю руйнує порядок у металах, однак виявили, що дефекти призводять до обміну місцями між атомами, що свідчить не про випадковий характер, а про тонку закономірність.
“Ці дефекти мають хімічні переваги, які визначають їхній рух. Вони шукають шляхи з низькою енергією, тому якщо є вибір між розривом хімічних зв’язків, вони, як правило, розривають найслабші, і це не зовсім випадковий процес. Це дуже цікаво, тому що це нерівноважний стан: він не зустрічається у природі у матеріалах. Так само наші тіла живуть у нерівноважному стані. Температура зовні завжди вища або нижча за температуру нашого тіла, і ми підтримуємо цю стійку рівновагу, щоб залишатися живими. Саме тому такі стани існують у металі: баланс між внутрішнім прагненням до безладдя і цією тенденцією, що впорядковує, до розриву певних зв’язків, які завжди слабші за інші”, — підкреслює Родріго Фрейтас.
Наразі дослідники продовжують вивчати, як ці хімічні структури формуються у широкому спектрі виробничих умов. Вони створили карту, що зв’язує різні етапи обробки металів з різними хімічними структурами. Дослідники сподіваються, що за допомогою цієї карти інженери зможуть почати розглядати ці закономірності як важелі в дизайні, які можна використовувати у процесі виробництва для отримання нових властивостей
За словами Фрейтаса, наразі вивчається, як ці конфігурації атомів змінюють властивості металів. Одним з ключових факторів є каталіз.
“Електрохімічні процеси відбуваються на поверхні металу і дуже чутливі до локального розташування атомів. Крім того, існують інші властивості, на які, здавалося б, ці фактори не впливають. Ще один важливий фактор – радіаційне пошкодження. Воно впливає на характеристики цих матеріалів у ядерних реакторах. Можна уявити області, де потрібні дуже оптимізовані сплави, наприклад, аерокосмічну промисловість. Їм потрібні дуже специфічні склади. Сучасні технології виробництва дозволяють комбінувати метали, які зазвичай не поєднуються при деформації. Розуміння того, як атоми насправді переміщуються та змішуються в цих процесах, має вирішальне значення, оскільки це ключ до підвищення міцності за збереження низької щільності“, — переконує Фрейтас.
Результати дослідження опубліковані у журналі Nature Communications
Джерело: SciTechDaily
