Обнаружены секретные атомные структуры, скрытые внутри металлов
Когда металлические сплавы обрабатываются во время производства, атомы объединенных элементов смешиваются случайным образом, согласно общепринятому мнению, но новые исследования бросают вызов этому мнению, выявляя скрытые атомные закономерности, которые сохраняются.
Это исследование является работой исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) и обещает открыть новые способы контроля свойств металлов во время производства.
Недавние лабораторные исследования выявили тонкие закономерности в металлических сплавах, которые можно изменить для улучшения свойства материала, включая механическую прочность, долговечность и радиационную устойчивость. Это новое исследование показывает с помощью моделирования, как эти структуры – и некоторые новые – возникают и сохраняются даже после интенсивной обработки.
По теме: Прорыв: квантовая запутанность, достигнутая между сердцами двух атомов
«Это первая статья, показывающая эти неравновесные состояния, которые сохраняются в металле», — говорит ученый из Массачусетского технологического института материалов Родриго Фрейтас.
«На данный момент этот химический порядок не является то, что мы контролируем или на что обращаем внимание, когда производим металлы».
Понять новые результаты немного сложно, если вы еще не знакомы с физикой металлических сплавов, но химический ближний порядок (SRO), который исследователи изучали в этом исследовании, — это расположение атомов в металлических сплавах.
Команда провела детальное компьютерное моделирование, чтобы отследить взаимодействия миллионов атомов в сплаве хрома, кобальта и никеля (CrCoNi) во время интенсивных процессов деформации, которые являются обычными в производстве, в частности, быстрого охлаждения и экстенсивного растяжение.
Во-первых, исследователи увидели знакомые атомные структуры, но нельзя было ожидать, что они останутся нетронутыми после таких быстрых деформаций. Во-вторых, они обнаружили совершенно новые закономерности, которые они называют «состояниями, далекими от равновесия».
Решающее значение для выживания этих состояний, как показали модели, имеют дефекты (или дислокации), которые образуются в кристаллической структуре металлов при их нагревании, охлаждении или растяжении. Они похожи на каракули на атомном уровне и помогают металлу выдерживать действующую на него нагрузку.
Раньше предполагалось, что деформации и последующее движение дефектов в значительной степени уничтожают SRO, но модели, разработанные исследователями, показали, что атомы на самом деле перемещаются с некоторой предсказуемостью.
«Эти дефекты имеют химические предпочтения, которые определяют, как они движутся. Они ищут низкоэнергетические пути, поэтому, имея выбор между разрывом химических связей, они имеют тенденцию разрывать самые слабые связи, и это не совсем случайно», — говорит Фрейтас.
«Это очень интересно, потому что это неравновесное состояние: это не то, что вы могли бы увидеть в материалах естественным путем».
Другими словами, эти недавно обнаруженные закономерности возникают только в результате производственных процессов. Затем они, в свою очередь, будут влиять на различные свойства металла – и это то, что будущие исследования могут начать изучать более подробно.
Хотя физика, задействованная здесь, находится на довольно высоком уровне, последствия заключаются в том, что мы можем точно настраивать свойства металлических сплавов способами, о которых раньше не задумывались, для всего, от ядерных реакторов до космических кораблей – из-за того, что их атомы отказываются полностью перетасовываться.
«Вывод таков: невозможно полностью хаотизировать атомы. в металле не имеет значения, как вы это обрабатываете», — говорит Фрейтас.
«Тот факт, что вы не можете полностью смешать что-то вместе, люди этого не предвидели».
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.
