At finde orden og struktur i atomkaoset, hvor materialer mødes

Materialevidenskabelige forskere har udviklet en model, der kan redegøre for uregelmæssigheder i, hvordan atomer arrangerer sig ved de såkaldte "korngrænser" - grænsefladen, hvor to materialer mødes. Ved at beskrive pakningen af ​​atomer ved disse grænseflader, værktøjet kan bruges til at hjælpe forskere med at bestemme, hvordan korngrænser påvirker egenskaber af metallegeringer og andre materialer.

"Vi har vidst, at disse korngrænser påvirker materielle egenskaber i mange årtier, "siger Srikanth Patala, tilsvarende forfatter til et papir om arbejdet og en adjunkt i materialevidenskab og teknik ved NC State University. "Men det har været ekstremt svært at forstå, hvordan disse defekter ser ud på atomniveau, og derfor, at forstå, hvordan disse strukturelle uregelmæssigheder påvirker et materiales styrke, stivhed, duktilitet og så videre.

"Nu har vi et værktøj, der lader os se og faktisk forstå, hvordan disse uordnede atomstrukturer virkelig ser ud - og det er et stort skridt i retning af at finde ud af, hvad der foregår, "Siger Patala.

De fleste materialer har en bestemt atomstruktur, der er ret regelmæssig. For eksempel, aluminium har en kubisk struktur, med atomer, der ligger i lange kæder af terninger, der henviser til, at titanium dannes til, hvad der grundlæggende er stakke af sekskanter. Men når to materialer mødes, såsom i en metallegering, disse ryddelige, organiserede strukturer kolliderer med hinanden, skabe den uordnede korngrænse.

Modellen udviklet i Patalas forskningsgruppe finder uregelmæssige tredimensionelle former inden for korngrænsen, klassificerer dem og identificerer derefter mønstre af disse uregelmæssige former.

"Fremskridt inden for mikroskopi kan hjælpe os med at fange billeder af, hvordan atomer er arrangeret i en korngrænse, men så ved vi ikke rigtigt, hvad vi kigger på - du kan forbinde prikkerne, som du vil, "Patala siger." Vores værktøj hjælper med at skelne mønstre af geometriske træk i et atomlandskab, der kan virke kaotisk.

"Nu hvor disse mønstre kan identificeres, det næste trin er, at beregningsforskere - som jeg - arbejder med eksperimentelle forskere for at bestemme, hvordan disse mønstre påvirker et materiales egenskaber, "Siger Patala.

Når effekten af ​​mønstrene er godt forstået, at oplysningerne kan bruges til bedre at identificere styrker og svagheder ved bestemte korngrænsetyper, fremskynde udviklingen af ​​nye legeringer eller andre materialer.

Værktøjet, kaldet Polyhedral Unit Model, kan bruges til at modellere korngrænser for ethvert materiale, hvor tiltrækningen mellem atomer udelukkende styres af afstanden mellem atomer, såsom metaller og ioniske faste stoffer - herunder noget keramik. Imidlertid, tilgangen virker ikke for materialer, såsom kulstof, der danner såkaldte retningsbånd.

"Vi arbejder i øjeblikket på at gøre Polyhedral Unit Model offentligt tilgængelig via open source -software, "Siger Patala." Vi planlægger at have den ud inden årets udgang, og forhåbentlig før. "

Papiret, "En tredimensionel polyhedral enhedsmodel til korngrænsestruktur i fcc-metaller, "er udgivet i Nature journal npj Computational Materials .