Design af nye metallegeringer ved hjælp af konstruerede nanostrukturer

Materialevidenskab er et område, som Jason Trelewicz har været interesseret i, siden han var et lille barn, når hans far - en ingeniør - ville bringe ham på arbejde. I materialelaboratoriet på sin fars arbejdsplads, Trelewicz ville bruge optiske mikroskoper til at zoome ind på materialeoverflader, fascineret af alle de distinkte træk, han ville se, da lys interagerer med forskellige prøver.

Nu, Trelewicz - en assisterende professor i College of Engineering and Applied Sciences' afdeling for Materials Science og Chemical Engineering med en fælles ansættelse i Institute for Advanced Computational Science ved Stony Brook University og hovedefterforsker af Engineered Metallic Nanostructures Laboratory - drager fordel af meget højere forstørrelser af elektronmikroskoper for at se små nanostrukturer i fine detaljer og lære, hvad der sker, når de udsættes for varme, stråling, og mekaniske kræfter. I særdeleshed, Trelewicz er interesseret i nanostrukturerede metallegeringer (metaller blandet med andre elementer), der inkorporerer funktioner på nanometerstørrelse i klassiske materialer for at forbedre deres ydeevne. Oplysningerne indsamlet fra elektronmikroskopi-undersøgelser hjælper ham med at forstå interaktioner mellem strukturelle og kemiske egenskaber på nanoskala. Denne forståelse kan derefter bruges til at tune egenskaberne af materialer til brug i alt fra rumfarts- og bilkomponenter til forbrugerelektronik og atomreaktorer.

Siden 2012 har da han ankom til Stony Brook University, Trelewicz har brugt elektronmikroskoperne og high-performance computing (HPC) klyngen ved Center for Functional Nanomaterials (CFN) - et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility ved Brookhaven National Laboratory - til at udføre sin forskning.

"Dengang Jeg ledte efter måder at anvende min idé om at stabilisere nanostrukturer i metaller på et applikationsorienteret problem, " sagde Trelewicz. "Jeg har længe været interesseret i atomenergiteknologier, læste i første omgang om fusion i folkeskolen. Ideen om at genskabe de processer, der er ansvarlige for den energi, vi modtager fra solen her på jorden, var fængslende, og gav næring til min interesse for atomenergi gennem hele min akademiske karriere. Selvom vi stadig er meget langt væk fra en fusionsreaktor, der genererer strøm, et stort internationalt team på et projekt under opførelse i Frankrig kaldet ITER arbejder på at demonstrere en langvarig fusionsreaktion i stor skala."

Plasma-vendte materialer til fusionsreaktorer

Nuklear fusion - reaktionen, hvor atomkerner kolliderer - kunne give en næsten ubegrænset forsyning af sikker, ren energi, som den, der naturligt produceres af solen ved at fusionere brintkerner til heliumatomer. At udnytte denne kulstoffri energi i reaktorer kræver generering og vedligeholdelse af et plasma, en ioniseret gas, ved de meget høje temperaturer, hvor fusion sker (ca. seks gange varmere end solens kerne), mens den begrænser den ved hjælp af magnetiske felter. Af de mange udfordringer, der i øjeblikket står over for demonstrationer af fusionsreaktorer, en af ​​særlig interesse for Trelewicz er at skabe levedygtige materialer til at bygge en reaktor.

"De formidable materialeudfordringer for fusion er, hvor jeg så en mulighed for min forskning - at udvikle materialer, der kan overleve inde i fusionsreaktoren, hvor plasmaet vil generere høje varmestrømme, høje termiske spændinger, og høje partikel- og neutronfluxer, " sagde Trelewicz. "De operationelle forhold i dette miljø er blandt de hårdeste, hvor man kunne forvente et materiale til at fungere."

En primær kandidat til et sådant "plasma-vendt materiale" er wolfram, på grund af dets høje smeltepunkt - det højeste blandt metaller i ren form - og lavt forstøvningsudbytte (antal atomer udstødt af energiske ioner fra plasmaet). Imidlertid, wolframs stabilitet mod omkrystallisation, oxidationsmodstand, langsigtet strålingstolerance, og mekanisk ydeevne er problematisk.

Trelewicz mener, at design af wolframlegeringer med præcist skræddersyede nanostrukturer kunne være en måde at overvinde disse problemer. I august, han modtog $750, 000 femårig pris fra DOE's Early Career Research Program for at udvikle stabile nanokrystallinske wolframlegeringer, der kan modstå det krævende miljø i en fusionsreaktor. Hans forskning kombinerer simuleringer, der modellerer atomare interaktioner og eksperimenter, der involverer ionbestråling i realtid og mekanisk test for at forstå de grundlæggende mekanismer, der er ansvarlige for legeringernes termiske stabilitet. strålingstolerance og mekanisk ydeevne. Indsigten fra denne forskning vil informere designet af mere elastiske legeringer til fusionsanvendelser.

Ud over de beregningsressourcer, de bruger på deres hjemmeinstitution, Trelewicz og hans laboratoriegruppe bruger HPC-klyngen på CFN - og dem på andre DOE-faciliteter, såsom Titan ved Oak Ridge Leadership Computing Facility (en DOE Office of Science User Facility ved Oak Ridge National Laboratory) - for at udføre atomistiske simuleringer i stor skala som en del af projektet.

"Længdeskalaerne for de strukturer, vi ønsker at designe i vores materialer, er i størrelsesordenen nogle få nanometer til 100 nanometer, og en enkelt simulering kan involvere op til 10 millioner atomer, " sagde Trelewicz. "Ved at bruge HPC-klynger, vi kan bygge et system atom-for-atom, repræsentant for den struktur, vi gerne vil udforske eksperimentelt, og køre simuleringer for at studere responsen af ​​dette system under forskellige eksterne stimuli. For eksempel, vi kan affyre et højenergiatom ind i systemet og se, hvad der sker med materialet, og hvordan det udvikler sig, hundreder eller tusinder af gange. Når skaden har samlet sig i strukturen, vi kan simulere termiske og mekaniske kræfter for at forstå, hvordan defektstruktur påvirker anden adfærd."

Disse simuleringer informerer om strukturer og kemi af eksperimentelle legeringer, som Trelewicz og hans studerende fremstiller ved Stony Brook University gennem højenergifræsning. For at karakterisere nanoskalastrukturen og kemiske fordeling af de konstruerede legeringer, de bruger i vid udstrækning mikroskopifaciliteterne på CFN - inklusive scanningselektronmikroskoper, transmissionselektronmikroskoper, og scanning transmissionselektronmikroskoper. Billeddannelse udføres ved høj opløsning og ofte kombineret med opvarmning i mikroskopet for i realtid at undersøge, hvordan strukturerne udvikler sig med temperaturen. Eksperimenter udføres også på andre DOE nationale laboratorier, såsom Sandia gennem samarbejde med materialeforsker Khalid Hattar fra Ion Beam Laboratory. Her, studerende i Trelewiczs forskningsgruppe bestråler samtidig de konstruerede legeringer med en ionstråle og afbilder dem med et elektronmikroskop i løbet af mange dage.

"Selvom denne skade ikke kan sammenlignes med, hvad materialet ville opleve i en reaktor, det giver et udgangspunkt for at vurdere, om det konstruerede materiale faktisk kunne løse nogle af begrænsningerne ved wolfram til fusionsapplikationer, sagde Trelewicz.

Elektronmikroskopi på CFN har spillet en nøglerolle i en spændende opdagelse, som Trelewicz' studerende for nylig gjorde:en uventet metastabil-til-stabil faseovergang i tynde film af nanostruktureret wolfram. Denne faseovergang driver en unormal "korn" vækstproces, hvor nogle krystallinske nanostrukturtræk vokser meget dramatisk på bekostning af andre. Da eleverne tilføjede chrom og titanium til wolfram, denne metastabile fase blev fuldstændig elimineret, hvilket igen forbedrer materialets termiske stabilitet.

"Et af de store aspekter ved at have både eksperimentelle og beregningsmæssige komponenter til vores forskning er, at når vi lærer nye ting fra vores eksperimenter, vi kan gå tilbage og skræddersy simuleringerne til mere præcist at afspejle de faktiske materialer, sagde Trelewicz.

Andre projekter i Trelewiczs forskningsgruppe

Forskningen med wolfram er kun et af mange igangværende projekter i Engineered Metallic Nanostructures Laboratory.

"Alle vores projekter falder ind under paraplyen af ​​at udvikle nye metallegeringer med forbedrede og/eller multifunktionelle egenskaber, " sagde Trelewicz. "Vi kigger på forskellige strategier for at optimere materialets ydeevne ved i fællesskab at skræddersy kemi og mikrostruktur i vores materialer. Meget af videnskaben ligger i at forstå de nanoskalamekanismer, der styrer de egenskaber, vi måler på makroskalaen."

Gennem en National Science Foundation CAREER (Faculty Early Career Development Program) pris, Trelewicz og hans forskergruppe udforsker en anden klasse af højstyrkelegeringer - amorfe metaller, eller "metalliske briller, " som er metaller, der har en uordnet atomstruktur beslægtet med glas. Sammenlignet med almindelige metaller, metalliske glas er ofte i sagens natur højere styrke, men normalt meget skøre, og det er svært at lave dem i store dele såsom bulklader. Trelewiczs team designer grænseflader og konstruerer dem til de metalliske glas - oprindeligt jernbaserede og senere zirkoniumbaserede - for at forbedre materialernes sejhed, og udforske additive fremstillingsprocesser for at muliggøre pladeproduktion. De vil bruge Nanofabrication Facility på CFN til at fremstille tynde film af disse interface-konstruerede metalliske glas til in situ analyse ved hjælp af elektronmikroskopi teknikker.

I et lignende projekt, de søger at forstå, hvordan indførelsen af ​​en krystallinsk fase i en zirconium-baseret amorf legering for at danne en metallisk glasmatrix-komposit (sammensat af både amorfe og krystallinske faser) øger deformationsprocessen i forhold til almindelige metalliske glas. Metalliske glas svigter normalt katastrofalt, fordi belastningen bliver lokaliseret til forskydningsbånd. Indførelse af krystallinske områder i de metalliske glas kunne hæmme processen, hvorved belastning lokaliseres i materialet. De har allerede vist, at tilstedeværelsen af ​​den krystallinske fase fundamentalt ændrer mekanismen, hvorigennem forskydningsbåndene dannes.

Trelewicz og hans gruppe udforsker også deformationsadfærden af ​​metalliske "nanolaminater", der består af alternerende krystallinske og amorfe lag, og forsøger at nærme sig den teoretiske grænse for styrke i letvægtsaluminiumslegeringer gennem synergistiske kemiske dopingstrategier (tilføje andre elementer til et materiale for at ændre dets egenskaber).

"Vi udnytter CFN's ressourcer til hvert projekt, der er i gang i min forskningsgruppe, " sagde Trelewicz. "Vi bruger i vid udstrækning elektronmikroskopifaciliteterne til at se på materialets mikro- og nanostruktur, meget ofte på, hvordan grænseflader er koblet sammen med kompositoriske inhomogeniteter - information, der hjælper os med at stabilisere og designe grænsefladenetværk i nanostrukturerede metallegeringer. Beregningsmodellering og simulering aktiveret af HPC-klyngerne på CFN informerer om, hvad vi gør i vores eksperimenter."

Ud over sit arbejde hos CFN, Trelewicz samarbejder med sine afdelingskolleger om at karakterisere materialer på National Synchrotron Light Source II - en anden DOE Office of Science User Facility i Brookhaven.

"Der er forskellige måder at karakterisere strukturelle og kemiske inhomogeniteter på, " sagde Trelewicz. "Vi ser på små mængder materiale gennem elektronmikroskoperne på CFN og på mere af et bulkniveau ved NSLS-II gennem teknikker såsom røntgendiffraktion og mikro/nano-sonden. Vi kombinerer denne lokale og globale information for at karakterisere et materiale grundigt og bruger denne information til at optimere dets egenskaber."

Fremtiden for næste generations materialer

Når han ikke forsker, Trelewicz har typisk travlt med at nå ud til studerende. Han forbinder med teknologiafdelingerne på forskellige skoler, give dem materialetekniske designprojekter. De studerende deltager ikke kun i de tekniske aspekter af materialedesign, men er også uddannet i, hvordan man bruger 3-D-printere og andre værktøjer, der er kritiske i dagens samfund til at fremstille produkter mere omkostningseffektivt og med bedre ydeevne.

Fremadrettet, Trelewicz vil gerne udvide sine samarbejder på CFN og hjælpe med at etablere sin forskning i metalliske nanostrukturer som et kerneområde støttet af CFN og, ultimativt, DOE, at opnå hidtil usete egenskaber i klassiske materialer.

"At være i stand til at lære noget nyt hver dag, bruge den viden til at have indflydelse på samfundet, og at se mine elever udfylde huller i vores nuværende forståelse er det, der gør min karriere som professor så givende, " sagde Trelewicz. "Med ressourcerne fra Stony Brook University, nærliggende CFN, og andre DOE-laboratorier, Jeg har en fantastisk platform til at yde bidrag til materialevidenskab og metallurgi."