Группа ученых из Массачусетского технологического института (MIT) совершила открытие, которое меняет представления о структуре металлов: скрытый химический порядок атомов может сохраняться даже после экстремальных процессов обработки, таких как плавление или деформация.
Об этом сообщает ProIT
Атомный порядок в металлах: новые научные доказательства
Долгое время считалось, что тонкие химические структуры в металлах слишком незначительны, чтобы влиять на их эксплуатационные характеристики. Однако современные исследования доказывают, что эти нюансы непосредственно влияют на прочность, теплоемкость, устойчивость к радиации и другие свойства материалов. Специалисты MIT установили: даже в металлах, созданных привычными методами, существуют определенные закономерности расположения атомов. Они разработали математическую модель, которая позволяет прогнозировать и настраивать эти закономерности для оптимизации свойств металлов в различных отраслях, в частности в аэрокосмической, полупроводниковой промышленности и ядерной энергетике.
“Вывод таков: полностью хаотизировать расположение атомов в металле невозможно. Не имеет значения, как его обрабатывают. Это первая работа, которая демонстрирует эти неравновесные состояния, сохраняющиеся в металле. Сейчас мы не контролируем этот химический порядок и не обращаем на него внимания при производстве металлов”, — объясняет ученый с кафедры материаловедения и инженерии MIT Родриго Фрейтас.
Исследователи проанализировали, насколько быстро происходит смешивание химических элементов во время обработки металлов, и возможно ли достичь абсолютно однородного состава. Используя методы машинного обучения для моделирования движения и перегруппировки миллионов атомов в различных производственных условиях, они установили: даже самые интенсивные процессы, такие как прокатка, нагревание и деформация, не приводят к полному хаосу — в структуре металла сохраняются определенные закономерности.
Неравновесные химические состояния и значение дефектов
Одно из самых важных открытий касается дефектов — так называемых дислокаций, которые возникают во время деформации металла. Именно они создают уникальные «химические узоры», напоминающие трехмерные каракули в структуре вещества. Ученые построили простую модель, которая объясняет образование таких узоров из дефектов. Выяснилось, что во время производственных процессов атомы не просто перемешиваются между собой, а обмениваются местами в соответствии с определенной закономерностью, определяемой энергетическими преимуществами.
Детальное моделирование молекулярной динамики показало: при высоких температурах в металлах формируются нестандартные структуры, которые не встречаются за пределами производства. Ученые назвали эти явления «состояниями, далекими от равновесия». Они считают, что баланс между стремлением системы к беспорядку и тенденцией к упорядочению формирует уникальные свойства материалов.
Сегодня ученые продолжают исследования этих структур в различных производственных условиях и создают карты, которые связывают конкретные этапы обработки металлов с возникновением различных химических состояний. Такие карты могут стать основой для разработки новых материалов с заданными характеристиками.
По словам Родриго Фрейтаса, сейчас исследуется, как эти атомные конфигурации влияют на эксплуатационные свойства металлов, в частности на катализм и устойчивость к радиации. Это имеет особое значение для аэрокосмической отрасли, где нужны сверхлегкие, но сверхпрочные материалы, а также для ядерной энергетики, где важна устойчивость к радиационному воздействию. Понимание того, как атомы взаимодействуют и смешиваются во время производства, открывает путь к созданию сплавов нового поколения с уникальными свойствами.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
