Исследователи обнаружили новое физическое явление, объясняющее, почему химические структуры в металлических сплавах и традиционно производимых металлах никогда не смешиваются случайным образом.
Хотя науке давно известно о существовании таких крошечных химических структур в металлических сплавах, считалось, что они почти не влияют на свойства сплава. Но недавние исследования показали, что эти структуры могут изменять прочность, механические свойства и радиационную стойкость металла в лабораторных условиях. Теперь группа учёных из Массачусетского технологического института (MIT) в США продемонстрировала, что они также влияют на свойства традиционно производимых металлов.
Модель для прогнозирования химических структур в металлах
Исследователи предлагают простую модель для прогнозирования этих химических структур в металлах, что даёт инженерам более глубокое понимание того, как металлы ведут себя в таких средах, как аэрокосмическая промышленность, полупроводники и ядерные реакции.
«Это первая статья, показывающая эти неравновесные состояния, которые сохраняются в металле», — говорит Родриго Фрейтас, доцент кафедры материаловедения и инженерии в MIT.
«Сейчас этот химический порядок не является чем-то, что мы контролируем или на что обращаем внимание при производстве металлов».
Команда исследователей изначально намеревалась изучить, как быстро элементы смешиваются во время обработки металлов. Они надеялись, что, найдя точку, в которой химический состав металлов становится полностью однородным, они смогут разработать простые сплавы с различным атомным порядком.
Однако, как отмечает Фрейтас и его команда, сплавы никогда не достигали полностью случайного состояния.
«Атомы в металле никогда не удаётся полностью перемешать случайным образом. Неважно, как вы его обрабатываете», — говорит Фрейтас.
Для объяснения своих выводов команда создала модель, предсказывающую поведение атомов в определённых условиях. Они использовали метод машинного обучения, чтобы наблюдать, как более миллиона атомов перемещаются и организуются в процессе производства металла.
«Первое, что мы сделали, — это деформировали кусок металла», — говорит Фрейтас.
«Мы сделали это и отследили химический порядок. Мы подумали, что при деформации материала его химические связи разрываются, и это приводит к случайности системы. Эти интенсивные процессы производства по сути перемешивают атомы».
Однако, независимо от того, насколько деформировались металлы, атомы никогда не были полностью расположены в случайном порядке.
Они использовали статистические модели, чтобы количественно оценить, как атомы располагаются в металле. Некоторые из обнаруженных ими химических структур ранее не встречались вне производственных процессов.
В конце концов, их модель объяснила результаты.
«У этих дефектов есть химические предпочтения, которые определяют их движение», — говорит Фрейтас.
«Они ищут пути с низкой энергией, поэтому, имея выбор, они разрывают самые слабые связи, а не делают это совершенно случайным образом».
Эти результаты были опубликованы в журнале Nature Communications.
«Это очень интересно, потому что это неравновесное состояние. Это не то, что вы могли бы увидеть в материалах естественным образом. Это похоже на то, как наши тела живут в неравновесии. Температура снаружи всегда выше или ниже температуры нашего тела, и мы поддерживаем это устойчивое состояние равновесия, чтобы оставаться в живых», — говорит Фрейтас.
«Вот почему такие состояния существуют в металле: это баланс между внутренним стремлением к беспорядку и тенденцией к упорядочиванию, когда разрываются определённые связи, которые всегда слабее других».
Фрейтас надеется, что их модель поможет объяснить другие необъяснённые находки о свойствах металлов.
«Вы можете подумать о таких областях, где нужны очень оптимизированные сплавы, например, в аэрокосмической промышленности», — говорит Фрейтас.
«Понимание того, как атомы на самом деле перемешиваются в этих процессах, имеет решающее значение, потому что это ключ к получению прочности при сохранении низкой плотности. Так что для них это может иметь огромное значение».
Команда учёных теперь нацелена на дальнейшее изучение этих химических структур в различных производственных средах.
«Моя любимая часть этого проекта — это то, насколько неинтуитивны результаты», — говорит Фрейтас.
«Тот факт, что что-то нельзя полностью перемешать, люди этого не ожидали».