許多年前，科學家們就知道合金內部可以形成微小的化學模式。但大多數人認為這些變化在生產過程中微不足道或消失。最近的實驗表明，在受控的實驗室條件下，這種模式實際上可以影響金屬的行為。這會影響強度、耐用性、耐熱性，甚至影響它們的抗輻射能力。
麻省理工學院的研究人員發現，這些微妙的化學排列仍然存在於通過標準工業流程生產的金屬中。這一意外的發現指出了一個新的物理原理，可以解釋為什麼這些模式持續存在。
在發表於的一項研究中 自然交流麻省理工學院的團隊詳細介紹了他們如何識別和分析該模式。它揭示了驅動這些模式的物理原理。他們還開發了一個模型來預測這些模式將如何發生。這使得工程師能夠調整這些圖案來定制金屬在太空中使用的特性。半導體或核應用
“結論是：你無法完全隨機化金屬中的原子。無論你如何處理它並不重要，”麻省理工學院材料科學與工程系 TDK 助理教授 Rodrigo Freitas 解釋道。 “這是第一份顯示金屬中持續存在的非平衡狀態的報告。目前，我們在製造金屬時無法控製或關注化學順序。”
對於職業生涯早期的研究員弗雷塔斯來說，這一發現堅定了他解決其他人未能解決的問題的決心。我認為它已經修復了。他感謝美國空軍科學研究辦公室青年研究員計劃的支持。以及他的團隊的共同努力。該研究的共同第一作者包括麻省理工學院的三名博士生 Mahmudul Islam、Yifan Cao 和 Killian Sheriff。
“有一個問題是我是否應該處理這個特定問題。因為人們長期以來一直在解決這個問題，”弗雷塔斯說。 “但是我了解得越多，我就越發現研究人員在理想的實驗室場景中思考這個問題。我們希望進行最真實的模擬，以高保真度重新創建這些製造過程。這個項目中我最喜歡的部分是違反直覺的發現。事實上，你無法將某些東西完全混合在一起。人們沒有預見到這一點。”
從驚訝到理論
弗雷塔斯和他的團隊從一個簡單的問題開始：金屬加工過程中不同元素混合的速度有多快？傳統思維這表明金屬在生產過程中達到了原子均勻化的程度。他們相信他們的發現可以幫助設計具有不同短程原子序列的合金。
研究人員使用先進的機器學習工具模擬了數百萬個原子在金屬加工過程中如何移動和重新排列。
“我們做的第一件事就是改變金屬的形狀，”弗雷塔斯解釋道。 “這是製造過程中的一個典型步驟：你滾動金屬，使其變形，然後再次加熱，再變形一點。這樣它就會形成你想要的結構。我們這樣做並遵循化學順序。我們的想法是，當你使材料變形時，它的化學鍵會斷裂並使系統隨機化。這些嚴酷的製造過程基本上會打亂原子。”
但該金屬的表現並未達到預期。儘管進行了激烈的加工，但合金從未達到隨機狀態。結果讓團隊感到困惑，因為沒有現有的理論可以解釋它們。
研究人員在論文中寫道：“它指出了金屬中的一個新物理學。” “這是應用研究帶來基礎發現的案例之一。”
為了進一步探索他們創建了一個高度精確的計算模型來捕獲原子如何相互作用。以及測量序列如何隨時間演變的統計方法。通過模擬大分子的動力學，他們研究了原子在變形和加熱過程中如何重新排列。
研究小組觀察到某些原子排列在高溫下意外出現。更值得注意的是，出現了在現實世界製作之外從未見過的全新格式。他們將這些模式描述為“一種遠離平衡的狀態”
然後他們開發了一個簡單的模型來重新創建模擬的關鍵特徵。模型顯示這些圖案源自金屬中稱為位錯的缺陷。這是原子晶格中不規則的三維扭曲。當金屬變形時，機芯就會扭曲並移動。它將相鄰的原子推到所需的位置。此前，研究人員認為這個過程破壞了整個原子秩序，但麻省理工學院的團隊發現了相反的結果：位錯有利於某些原子的交換。這創造了一種微妙但穩定的模式。
“這些缺陷具有指導其運動的化學特性，”弗雷塔斯說。 “它們尋找低能量的路徑，因此在選擇破壞化學鍵之間時，它們傾向於破壞最弱的化學鍵。這並不是偶然發生的。這是非常令人興奮的，因為這是一種不平衡狀態。這不是你在材料中自然看到的東西。這與我們的身體生活在不平衡狀態下是一樣的。外界溫度總是比我們的身體更熱或更冷。而我們為了生存而維持穩態平衡。這就是 為什麼這些東西金屬中存在一種條件：一種內在的無序驅動力與一種破壞某些總是比其他弱的鍵的傾向相結合的平衡。
應用新理論
研究人員現在正在探索這些化學模式如何在各種生產條件下演變。其結果是一張連接各個金屬加工步驟的圖。金屬中具有不同的化學形態
到目前為止，這種化學序列及其修飾的特性被認為是一個主要的學術話題。通過這張圖，研究人員希望工程師們能夠開始將這些圖案視為設計輔助工具，可以在製造過程中將其拉出以獲得新的特性。
弗雷塔斯將驅動化學反應的過程描述為：“研究人員一直在尋找這些原子的排列改變金屬特性的方法。最重要的是催化作用。” “電化學發生在金屬表面。對原子的局部排列非常敏感。並且具有您認為不會受到這些因素影響的其他特徵。輻射損傷是另一個主要原因。這會影響這些材料在核反應堆中的性能。”
研究人員告訴弗雷塔斯，這項研究可能有助於解釋其他令人驚訝的發現。關於金屬的特性 他很高興該領域將從化學測序的基礎研究轉向更多的應用工作。
“您可以考慮需要高度優化合金的領域，例如航空航天，”弗雷塔斯說。 “他們關注非常具體的成分。當今的先進製造使得將通常不會通過變形形成合金的金屬結合起來成為可能。了解原子在這些過程中如何切換和混合非常重要。由於在保持低密度的同時獲得強度是關鍵，這對他們來說可能是一件大事。”
這項工作得到了美國空軍科學研究辦公室、MathWorks 和麻省理工學院葡萄牙項目的部分支持。
