Stokastisitet - iboende udsving i materialer fortjener efterforskning

Forskere og ingeniører, der arbejder med materialer - metaller, polymerer, keramik, kompositter, og briller - ved det i en eller anden skala, forudsigelsesevnen bryder sammen midt i udsvingene kendt som "stokasticitet". På atomskalaen f.eks. selv den mest perfekte krystal har termodynamiske udsving, i form af "punktdefekter" - atomer mangler fra krystalgitteret. I et andet eksempel, atomerne i et legeringsmateriale kan distribuere på mange måder:en legering lavet af silicium germanium, kan være halvdelen og halvdelen af ​​hvert element samlet set men med stokastiske udsving varierer forholdet, hvori disse elementer findes, i forskellige længdeskalaer i hele materialet.

I et papir udgivet i Anvendt fysik anmeldelser , en gruppe forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute, peger på fire underliggende årsager til sådanne udsving, der spænder over materialer, hævde, at stokastik er iboende for alle materialer og fortjener større udforskning som et fagområde.

"Vi foreslår en ny ramme for at forstå stokastik som et vigtigt samlende fænomen på tværs af materialer, "sagde Robert Hull, Henry Burlage professor i teknik og direktør for Rensselaer Center for Materialer, Enheder, og integrerede systemer, og hovedforfatter af papiret. "Der er en mulighed for at se et større syn på stokastik - ved at udvide vores syn fra individuelle observationer baseret på en enkelt materialeklasse til et bredere perspektiv på tværs af materialer - for større kontrol over både de udfordringer og potentielle fordele, det giver inden for materialevidenskab og ingeniørarbejde."

Hull fik selskab af papiret af Rensselaer -kollegerne Pawel Kelinski, professor og leder af materialevidenskab og teknik; Dan Lewis, lektor i materialevidenskab og teknik; Antoinette Maniatty, professor i mekanik, rumfart, og atomteknik; Vincent Meunier, Jeffrey L. Kodosky '70 Career Development Constellation Chair og fysikchef, anvendt fysik, og astronomi; Assad A.Oberai, tidligere associeret dekan ved School of Engineering, nu ved University of Southern California; Catalin Picu, associeret hoved mekanisk, rumfart, og atomteknik; Johnson Samuel, lektor i mekanik, rumfart, og atomteknik; Mark S. Shephard, Elisabeth C. og Samuel A. Johnson '37 professor i teknik; Minoru Tomozawa, professor i materialevidenskab og teknik; Deepak Vashishth, direktør for Rensselaer Center for Bioteknologi og Tværfaglige Studier; og Shengbai Zhang, senior Gail og Jeffrey L. Kodosky '70 Chair in Physics, Informationsteknologi, og iværksætteri.

Alle materialer udviser stokastik på et eller andet tidspunkt eller en længde, men materialeforskere konfronterer typisk disse udsving fra sag til sag, mens de bredere implikationer af stokastikalitet stadig ikke er undersøgt, Sagde Hull.

"Det faktum, at materialernes indre struktur på et eller andet tidspunkt eller en længdeskala bliver uensartet og ikke forudsigeligt, er et fænomen, der ligger til grund for næsten alt, hvad vi gør, og alligevel har vi kun stykkevis information om dens virkninger, "Vi mener, at materialestokastik som et særskilt fagområde kan give værdifuld indsigt, der vil fremme vores evne til at forstå og manipulere materialer."

Avisen gennemgår fire "brede klasser" af stokastik i materialer:termodynamiske udsving, strukturelle/sammensætningsudsving, kinetiske udsving, og frustration/degeneration. Det overvejer også stokastiske virkninger, der skyldes unøjagtighed i måling og usikkerhed i modellering og simulering.

Kinetiske udsving, for eksempel, er tidsmæssige udsving i udviklingen af ​​materialernes indre struktur ("materialemikrostrukturen"). Et velkendt eksempel ses i metallurgi, hvor varme og stress bruges til at ændre den interne struktur af metalliske legeringer som stål. På et mikroskopisk niveau, stål, lavet af jern og kulstof og andre elementer, danner lokalt adskilte regioner kaldet "korn" og "faser". Fordelingen af ​​korn og faser og deres karakteristiske størrelser er afhængig af kinetiske udsving under bearbejdningen af ​​materialet og påvirker kritiske tekniske egenskaber som trækstyrke og duktilitet. Historien om stålforarbejdning, strækker sig over årtusinder, er i det væsentlige et forsøg på at bruge varme og stress til at kontrollere kornstørrelse og fasefordeling og derfor optimere dens egenskaber.

Stålproducenter er dygtige til at anvende specifikke teknikker til at give et konsistent produkt, men en mere præcis forståelse af kinetiske udsving kan skabe nye forudsigelige varianter af materialemikrostruktur med forbedrede eller nye egenskaber. Forskning i de tre andre klasser af materialer stokastik giver lignende løfte.

Som et middel, forskerne foreslår stokasticitet som studieretning og tilbyder også en matematisk ramme til beskrivelse af materialestokastik. Denne ramme, sagde Hull, gør det muligt at overveje stokastik under en samlende metode.

Endelig, forskerne opfatter potentielle fordele ved at udnytte stokastik. Typisk, udsvingene i stokastik betragtes som en udfordring, der skal kontrolleres og afbødes. Men det er muligt, forskerne skrev, at en større forståelse af stokastik vil afsløre situationer, hvor de iboende udsving i materialer giver nye materialegenskaber.

"Naturen har givet os et begrænset antal elementer, og måder at kombinere dem på, "Sagde Hull." Måske, inden for stokastik, vi kan finde nye frihedsgrader inden for det materielle sæt, som tidligere ikke er blevet genkendt. "

"Stokastik i materialestruktur, ejendomme, og behandling - En anmeldelse "dukkede op i marts 2018 -udgaven af Anvendt fysik anmeldelser .