Исследователи обнаружили скрытый атомный порядок, сохраняющийся в металлах даже после экстремальной обработки.
Двойное течение в мягких материалах
В течение десятилетий учёные наблюдали, но не могли объяснить явление, характерное для некоторых мягких материалов: при приложении силы эти материалы демонстрируют не один, а два пика рассеивания энергии, известные как выбросы. Поскольку выбросы обычно указывают на точку, в которой материал течёт, или переходит из твёрдоподобного в текучеподобное состояние, двойной ответ считался свидетельством «двойного течения» — идеи о том, что для полного разжижения материала он должен дважды перейти в текучее состояние.
Теперь исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне показали, что это поведение отличается от ранее гипотезированного. Их статья «Resolving Dual Processes in Complex Oscillatory Yielding» опубликована в журнале Physical Review Letters.
В исследовании профессор кафедры химической и биомолекулярной инженерии Саймон А. Роджерс и его команда, возглавляемая тогда аспирантом Джеймсом Дж. Гриблером, показали, что двухшаговый ответ является результатом двух независимых процессов: сначала размягчения упругой структуры материала, а затем истинного течения.
Новый подход
Для своей работы команда использовала новый подход, называемый реологической реологией, который рассматривает деформацию как составной параметр, состоящий из восстанавливаемых и необратимых компонентов. Роджерс сравнил это с жевательной резинкой.
«Представьте, что вы жуёте резинку и вытягиваете её изо рта, растягивая, — объяснил он. — Часть её растянется, и если вы её отпустите, она немного вернётся — но не полностью. Эта небольшая часть возврата — это то, что мы называем восстанавливаемой частью, а тот факт, что она не возвращается полностью, — это необратимая часть».
Используя эту концепцию в качестве отправной точки, исследователи провели серию экспериментов с колебательным сдвигом, используя Карбопол — гелеобразный полимер, растворённый в пропиленгликоле, который широко используется во многих коммерческих гелевых продуктах. По мере увеличения деформации материал демонстрировал два отчётливых выброса в своём отклике.
Результаты исследования
Наблюдая, какая часть приложенной деформации была восстанавливаемой, а какая — необратимой, они обнаружили, что эти выбросы были результатом отдельных физических процессов, а не повторяющегося процесса. Первый, меньший выброс указывал на размягчение материала без течения — обратимое поведение.
В отличие от этого, второй, более выраженный выброс означал переход к полному течению, представляя необратимую деформацию. Команда подтвердила свои выводы, разработав прогностическую модель, которая точно отражает это двойное поведение выбросов.
Скрытый атомный порядок в металлах
Давно известно, что в металлических сплавах существуют тонкие химические закономерности, но исследователи считали их слишком незначительными или полагали, что они стираются во время производства. Однако недавние исследования показали, что в лабораторных условиях эти закономерности могут изменить свойства металла, включая его механическую прочность, долговечность, теплоёмкость, радиационную стойкость и многое другое.
Теперь исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили, что эти химические закономерности также существуют в традиционно изготавливаемых металлах. Удивительный вывод выявил новое физическое явление, объясняющее устойчивые закономерности.
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, исследователи описывают, как они отслеживали закономерности и обнаружили физику, которая их объясняет. Авторы также разработали простую модель для прогнозирования химических закономерностей в металлах и показали, как инженеры могут использовать эту модель для настройки влияния таких закономерностей на металлические свойства в аэрокосмической промышленности, полупроводниках, ядерных реакторах и т. д.
«Вывод таков: вы никогда не сможете полностью рандомизировать атомы в металле, — говорит Фрейтас. — Независимо от того, как вы его обрабатываете, в металле сохраняются эти неравновесные состояния».
Исследователи использовали методы машинного обучения для отслеживания миллионов атомов, когда они двигались и перестраивались в условиях, имитирующих обработку металлов. Они обнаружили некоторые стандартные химические структуры в своих обработанных металлах, но при более высоких температурах, чем ожидалось. Ещё более удивительно, они обнаружили совершенно новые химические закономерности, никогда ранее не наблюдавшиеся вне производственных процессов.
Исследователи также построили простую модель, которая воспроизводила ключевые особенности симуляций. Модель объясняет, как химические закономерности возникают из-за дефектов, известных как дислокации, которые действуют как трёхмерные каракули внутри металла. По мере деформации металла эти каракули искажаются, перемешивая соседние атомы.
«Эти дефекты имеют химические предпочтения, которые определяют их движение, — говорит Фрейтас. — Они ищут пути с низкой энергией, поэтому, имея выбор, они склонны разрывать самые слабые связи, а не полностью случайные».
Исследователи сейчас изучают, как эти химические закономерности развиваются в широком диапазоне производственных условий. Результатом является карта, связывающая различные этапы обработки металлов с различными химическими закономерностями.